WikiDer > Редкоземельный магнит

Rare-earth magnet
Феррожидкость на стекле, под ним находится редкоземельный магнит

Редкоземельные магниты сильны постоянные магниты сделан из сплавы из редкоземельные элементы. Редкоземельные магниты, разработанные в 1970-х и 1980-х годах, представляют собой самый сильный тип постоянных магнитов, производящих значительно более сильные магнитные поля, чем другие типы, такие как феррит или же алнико магниты. В магнитное поле обычно производимые редкоземельными магнитами могут превышать 1,4 теслас, тогда как ферритовые или керамические магниты обычно демонстрируют поля от 0,5 до 1 тесла.

Есть два типа: неодимовые магниты и самариево-кобальтовые магниты. Редкоземельные магниты чрезвычайно хрупкий а также уязвимы для коррозия, поэтому они обычно покрытый или же покрытый чтобы защитить их от поломки, сколов или рассыпания в порошок.

Разработка редкоземельных магнитов началась примерно в 1966 году, когда К. Дж. Стрнат и Г. Хоффер из Лаборатории материалов ВВС США обнаружили, что сплав иттрий и кобальт, YCo5, имел самый большой магнитная анизотропия константа любого известного материала.[1][2]

Термин «редкоземельные элементы» может вводить в заблуждение, поскольку некоторые из этих металлов могут быть[3][4] в качестве обильный в земной коре как олово или свинец,[5] но редкоземельные руды распределены неравномерно, не существуют в пластах, таких как уголь или медь, поэтому в любом кубическом километре коры они «редки». Основным источником в настоящее время является Китай.[6] Некоторые страны классифицируют редкоземельные металлы как стратегически важные,[7] а недавние китайские ограничения на экспорт этих материалов побудили некоторых инициировать исследовательские программы по разработке сильных магнитов, не требующих редкоземельных металлов.

Неодимовые магниты (маленькие цилиндры) поднимают стальные шарики. Как показано здесь, редкоземельные магниты могут легко поднимать вес, в тысячи раз превышающий их собственный.

Объяснение силы

Редкоземельный (лантаноид) элементы - это металлы, которые ферромагнитный, что означает утюг они могут быть намагниченный стать постоянные магниты, но их Температуры Кюри (температура, выше которой исчезает их ферромагнетизм) ниже комнатной, поэтому в чистом виде их магнетизм проявляется только при низких температурах. Однако они образуют соединения с переходные металлы Такие как утюг, никель, и кобальт, и некоторые из этих соединений имеют температуру Кюри намного выше комнатной. Из этих соединений делают магниты из редкоземельных металлов.

Большая сила редкоземельных магнитов в основном обусловлена ​​двумя факторами:

  • Во-первых, их кристаллические структуры имеют очень высокую магнитная анизотропия. Это означает, что кристалл материала предпочтительно намагничивается по определенной кристаллическая ось но очень трудно намагнитить в других направлениях. Как и другие магниты, магниты из редкоземельных элементов состоят из микрокристаллический зерна, которые выравниваются в мощном магнитном поле во время производства, поэтому все их магнитные оси направлены в одном направлении. Сопротивление кристаллической решетки изменению направления намагниченности придает этим соединениям очень высокую магнитная коэрцитивность (сопротивление размагничиванию), так что сильная размагничивающее поле внутри готового магнита не уменьшает намагничивание.
  • Во-вторых, атомы редкоземельных элементов могут иметь высокие магнитные моменты. Их орбитальные электронные структуры содержать много неспаренные электроны; в других элементах почти все электроны существуют парами с противоположными спинами, поэтому их магнитные поля компенсируются, но в редкоземельных элементах магнитное подавление намного меньше. Это следствие неполного заполнения f-оболочка, который может содержать до 7 неспаренных электронов. В магните именно неспаренные электроны, выровненные таким образом, что они вращаются в одном направлении, создают магнитное поле. Это дает материалам высокую остроту (намагниченность насыщения Js). Максимальная плотность энергии B · HМаксимум пропорционально Js2, поэтому эти материалы обладают способностью сохранять большое количество магнитной энергии. Продукт магнитной энергии B · HМаксимум неодимовых магнитов примерно в 18 раз больше «обычных» магнитов по объему. Это позволяет магнитам из редкоземельных элементов быть меньше, чем другие магниты с такой же напряженностью поля.

Магнитные свойства

Некоторые важные свойства, используемые для сравнения постоянных магнитов: остроту (Bр), который измеряет напряженность магнитного поля; принуждение (ЧАСci), сопротивление материала размагничиванию; энергетический продукт (B · HМаксимум), плотность магнитной энергии; и Температура Кюри (ТC), температура, при которой материал теряет свой магнетизм. Магниты из редкоземельных металлов имеют более высокую остаточную намагниченность, гораздо более высокую коэрцитивную силу и произведение энергии, но (для неодима) более низкую температуру Кюри, чем другие типы. В таблице ниже сравниваются магнитные характеристики двух типов редкоземельных магнитов, неодима (Nd2Fe14Б) и самарий-кобальтовый (SmCo5), с другими типами постоянных магнитов.

МагнитподготовкаBр
(Т)		ЧАСci
(kА/ м)		B · HМаксимум
(kJ/ м3)		ТC
(° C)
Nd2Fe14Bспеченный1.0–1.4750–2000200–440310–400
Nd2Fe14Bсвязанный0.6–0.7600–120060–100310–400
SmCo5спеченный0.8–1.1600–2000120–200720
Sm (Co, Fe, Cu, Zr)7спеченный0.9–1.15450–1300150–240800
Алникоспеченный0.6–1.427510–88700–860
Sr-ферритспеченный0.2–0.4100–30010–40450
Утюг (Fe) стержневой магнитотожженный?800[8]?770[9]

Источник:[нужна цитата]

Типы

Самарий-кобальт

Основная статья: Самариево-кобальтовый магнит

Самариево-кобальтовые магниты (химическая формула: СмCo5), первое семейство изобретенных редкоземельных магнитов, используются реже, чем неодимовые магниты из-за их более высокой стоимости и меньшей напряженности магнитного поля. Однако самарий-кобальт имеет более высокую Температура Кюри, создавая нишу для этих магнитов в приложениях, где требуется высокая напряженность поля при высоком рабочие температуры. Они обладают высокой устойчивостью к окислению, но спеченные самариево-кобальтовые магниты хрупки и склонны к сколам и растрескиванию, а также могут разрушаться при воздействии тепловой удар.

Неодим

Основная статья: Неодимовый магнит
Неодимовый магнит с практически удаленным никелевым покрытием

Неодим магниты, изобретенные в 1980-х годах, являются самым прочным и доступным типом редкоземельных элементов. магнит. Они сделаны из сплава неодим, утюг, и бор (Nd2Fe14B), иногда сокращенно NIB. Неодимовые магниты используются во многих приложениях, требующих сильных, компактных постоянных магнитов, таких как электродвигатели для аккумуляторные инструменты, жесткие диски, магнитные зажимы и ювелирные застежки. У них самая высокая напряженность магнитного поля и более высокая принуждение (что делает их магнитостабильными), но у них более низкая Температура Кюри и более уязвимы для окисление чем самариево-кобальтовые магниты.

Коррозия может вызвать срабатывание незащищенных магнитов скол с поверхностного слоя или рассыпаться в порошок. Использование защитных покрытий, таких как золото, никель, цинк, и банка покрытие и эпоксидная смола- покрытие из смолы может обеспечить защиту от коррозии; большинство неодимовых магнитов используют никелирование для обеспечения надежной защиты.

Первоначально высокая стоимость этих магнитов ограничивала их использование приложениями, требующими компактности вместе с высокой напряженностью поля. И сырье, и патентные лицензии были дорогими. Однако с 1990-х гг. NIB магниты становятся все менее дорогими, а их более низкая стоимость вдохновила на новые применения, такие как магнитные конструкторы.

Опасности

Большая сила, оказываемая редкоземельными магнитами, создает опасности, которые не наблюдаются с другими типами магнитов. Магниты размером более нескольких сантиметров достаточно сильны, чтобы вызывать травмы частей тела, зажатых между двумя магнитами или магнитом и металлической поверхностью, даже вызывая переломы костей.[10] Магниты, находящиеся слишком близко друг к другу, могут ударить друг друга с силой, достаточной для того, чтобы расколоть и расколоть хрупкий материал, а летящие стружки могут вызвать травмы. Начиная с 2005 года, мощные магниты, отрывающиеся от игрушек или магнитных конструкторов, стали причиной травм и смертей.[11] Маленькие дети, проглотившие несколько магнитов, имеют складку пищеварительный тракт защемление между магнитами, вызвавшее травму и в одном случае перфорацию кишечника, сепсис, и смерть.[12]

В 2007 году был принят добровольный стандарт для игрушек, в котором сильные магниты постоянно используются для предотвращения проглатывания и ограничиваются силы неподключенных магнитов.[11] В 2009 году внезапный рост продаж игрушек для магнитных столов для взрослых вызвал резкий рост травм: в 2012 году количество обращений за неотложной помощью составило 3617 человек.[11] В ответ Комиссия США по безопасности потребительских товаров приняла в 2012 году правило, ограничивающее размер редкоземельных магнитов в потребительских товарах, но оно было отменено решением федерального суда США в ноябре 2016 года по делу, возбужденному одним оставшимся производителем.[13] После того, как правило было отменено, количество случаев проглатывания в стране резко возросло и, по оценкам, превысит 1500 в 2019 году.[11]

Дальнейшая информация: Игрушки с неодимовым магнитом

Приложения

С тех пор, как в 1990-х их цены стали конкурентоспособными, неодимовые магниты заменяют алнико и феррит магниты во многих приложениях современной техники, требующих мощных магнитов. Их большая сила позволяет использовать меньшие и более легкие магниты для конкретного применения.

Общие приложения

Неодимовые магнитные шарики

Общие применения редкоземельных магнитов включают:

Другие приложения

Другие применения редкоземельных магнитов включают:

Постоянные магниты, не содержащие редкоземельных элементов

В Министерство энергетики США обнаружил необходимость найти заменители редкоземельных металлов в технологии постоянных магнитов и начал финансирование таких исследований. В Агентство перспективных исследовательских проектов - Энергетика (ARPA-E) спонсирует программу «Альтернативы редкоземельных элементов в критических технологиях» (REACT) для разработки альтернативных материалов. В 2011 году ARPA-E выделило 31,6 миллиона долларов на финансирование проектов по замене редкоземельных элементов.[14]

Усилия по переработке

В Евросоюзпроект ETN-Demeter (Европейская обучающая сеть по проектированию и переработке редкоземельных двигателей и генераторов с постоянными магнитами в гибридных и полностью электрических транспортных средствах)[15] изучает экологичную конструкцию электродвигателей, используемых в транспортных средствах. Они, например, разрабатывают электродвигатели, в которых магниты можно легко удалить для переработки редкоземельных металлов.

В Евросоюзс Европейский исследовательский совет также присуждены главному исследователю, профессору Томасу Зембу, и второму исследователю, доктору Жан-Кристофу П. Габриэлю, Грант на перспективные исследования для проекта «Вторичная переработка редкоземельных элементов с низким уровнем вредных выбросов: REE-CYCLE», который направлен на поиск новых процессов утилизации редкоземельный.[16]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Cullity, B.D .; Грэм, К. Д. (2008). Введение в магнитные материалы. Wiley-IEEE. п. 489. ISBN 0-471-47741-9.
  2. ^ Лавлейс, Алан М. (март – апрель 1971 г.). «Больше, чем запланировано, из военных НИОКР». Обзор авиационного университета. ВВС США. 22 (3): 14–23. Получено 4 июля, 2012.
  3. ^ Маккейг, Малкольм (1977). Постоянные магниты в теории и практике. США: Wiley. п. 123. ISBN 0-7273-1604-4.
  4. ^ Сигель, Астрид; Гельмут Сигель (2003). Лантаноиды и их взаимосвязь с биосистемами. США: CRC Press. стр. v. ISBN 0-8247-4245-1.
  5. ^ Боббер, Р. Дж. (1981). «Новые типы преобразователей». Подводная акустика и обработка сигналов. п. 243. Дои:10.1007/978-94-009-8447-9_20. ISBN 978-94-009-8449-3.
  6. ^ Уолш, Брайан (13 марта 2012 г.). «Редко, чтобы бороться: США спорят с Китаем из-за экспорта редкоземельных элементов». Журнал Тайм. Получено 13 ноября, 2017.
  7. ^ Чу, Стивен (2011). Стратегия критических материалов. Издательство ДИАНА. стр.96-98. ISBN 1437944183. Китай редкоземельные магниты.
  8. ^ Введение в магниты и магнитные материалы, Дэвид Джайлс, Ames Laboratrories, Министерство энергетики США, 1991 г.
  9. ^ 3 Источники:
    • Бейхнер и Сервей. Физика для ученых и инженеров с современной физикой. 5-е изд. Орландо: Колледж Сондерса, 2000: 963.
    • Температура Кюри. "Энциклопедия науки и технологий Макгроу-Хилла. 8-е изд. 20 томов. Н.П .: МакГроу-Хилл, 1997.
    • Холл, Х.Э. и Дж. Р. Хук. Физика твердого тела. 2-е изд. Чичестер: John Wiley & Sons Ltd, 1991: 226.
  10. ^ Суэйн, Фрэнк (6 марта 2009 г.). «Как убрать палец с помощью двух супермагнитов». Блог Sciencepunk. ООО «Сид Медиа Групп». Получено 2017-11-01.
  11. ^ а б c d Количество детей, проглатывающих опасные магниты, резко возрастает, поскольку промышленность в значительной степени контролирует себя
  12. ^ «Предупреждение о безопасности с помощью магнита» (PDF). Комиссия США по безопасности потребительских товаров. Получено 20 июля 2014.
  13. ^ «Снимок отзыва CPSC» (PDF). Олстон и Берд. Декабрь 2016 г.
  14. ^ «Финансирование исследований в области постоянных магнитов, не содержащих редкоземельных элементов». ARPA-E. Получено 23 апреля 2013.
  15. ^ "ДЕМЕТР проект". etn-demeter.eu.
  16. ^ "REE-CYCLE project". cordis.europa.eu.

дальнейшее чтение

внешняя ссылка