Sjælden jordmagnet - Rare-earth magnet

Ferrofluid på glas med en sjælden jordmagnet nedenunder

Sjældne jordmagneter er stærke permanente magneter fremstillet af legeringer af sjældne jordarter . Udviklet i 1970'erne og 1980'erne, er sjældne jordmagneter den stærkeste type permanente magneter, der produceres, og producerer betydeligt stærkere magnetfelter end andre typer såsom ferrit- eller alnico- magneter. Den magnetfelt typisk ved sjældne jordarters magneter kan overstige 1,4 tesla , hvorimod ferrit eller keramiske magneter udviser typisk inden for 0,5 til 1 Tesla.

Der er to typer: neodymmagneter og samarium – cobaltmagneter . Sjældne jordmagneter er ekstremt skøre og også sårbare over for korrosion , så de er normalt belagt eller overtrukket for at beskytte dem mod brud, flishugning eller smuldring til pulver.

Udviklingen af ​​magneter af sjældne jordarter begyndte omkring 1966, da KJ Strnat og G. Hoffer fra US Air Force Materials Laboratory opdagede, at en legering af yttrium og cobalt , YCo 5 , havde langt den største magnetiske anisotropikonstant af ethvert materiale, der var kendt .

Udtrykket "sjælden jord" kan være vildledende, da nogle af disse metaller kan være så rigelige i jordskorpen som tin eller bly, men sjældne jordmalm findes ikke i sømme (som kul eller kobber), så i en given kubikkilometer af skorpe er de "sjældne". Den største kilde er i øjeblikket Kina . Nogle lande klassificerer sjældne jordmetaller som strategisk vigtige, og nylige kinesiske eksportrestriktioner for disse materialer har fået nogle til at igangsætte forskningsprogrammer for at udvikle stærke magneter, der ikke kræver sjældne jordmetaller.

Neodymmagneter (små cylindre), der løfter stålkugler. Som vist her kan magneter med sjældne jordarter let løfte tusinder af gange deres egen vægt.

Forklaring af styrke

De sjældne jordarter ( lanthanid ) -elementer er metaller, der er ferromagnetiske , hvilket betyder, at de ligesom jern kan magnetiseres til at blive permanente magneter , men deres Curie-temperaturer (temperaturen over hvilken deres ferromagnetisme forsvinder) er under stuetemperatur, så i ren form er deres magnetisme vises kun ved lave temperaturer. Imidlertid danner de forbindelser med overgangsmetaller såsom jern , nikkel og cobalt , og nogle af disse forbindelser har Curie-temperaturer langt over stuetemperatur. Sjældne jordmagneter er fremstillet af disse forbindelser.

Den større styrke af magneter med sjældne jordarter skyldes for det meste to faktorer:

  • For det første har deres krystallinske strukturer meget høj magnetisk anisotropi . Dette betyder, at en krystal af materialet fortrinsvis magnetiserer langs en bestemt krystalakse, men er meget vanskelig at magnetisere i andre retninger. Som andre magneter er sjældne jordartsmagneter sammensat af mikrokrystallinske korn, der er justeret i et kraftigt magnetfelt under fremstillingen, så deres magnetiske akser peger alle i samme retning. Krystalgitterets modstand mod at dreje magnetiseringsretningen giver disse forbindelser en meget høj magnetisk koercivitet (modstand mod at blive demagnetiseret), så det stærke demagnetiserende felt inden i den færdige magnet ikke reducerer materialets magnetisering .
  • For det andet kan atomer af sjældne jordarter have høje magnetiske øjeblikke . Deres orbitale elektronstrukturer indeholder mange ikke- parrede elektroner ; i andre elementer findes næsten alle elektroner parvis med modsatte spins, så deres magnetfelter annullerer, men i sjældne jordarter er der meget mindre magnetisk annullering. Dette er en konsekvens af ufuldstændig fyldning af f-skallen , som kan indeholde op til 7 ikke-parrede elektroner. I en magnet er det de ikke-parrede elektroner, der er justeret, så de drejer i samme retning, som genererer magnetfeltet. Dette giver materialer af høj remanens ( mætningsmagnetisering J s  ). Den maksimale energitæthed B · H max er proportional med J s 2 , så disse materialer har potentialet til at lagre store mængder magnetisk energi. Det magnetiske energiprodukt B · H max af neodymmagneter er ca. 18 gange større end ”almindelige” magneter i volumen. Dette gør det muligt for sjældne jordartsmagneter at være mindre end andre magneter med samme feltstyrke.

Magnetiske egenskaber

Nogle vigtige egenskaber, der anvendes til at sammenligne permanente magneter er: remanens ( B r ), som måler styrken af det magnetiske felt; coercivity ( H ci ), materialets modstand mod at blive demagnetiseret; energiprodukt ( B · H max ), densiteten af ​​magnetisk energi; og Curie temperatur ( T C ), den temperatur, ved hvilken materialet mister sin magnetisme. Sjældne jordmagneter har højere remanens, meget højere coercivity og energiprodukt, men (for neodym) lavere Curie temperatur end andre typer. Tabellen nedenfor sammenligner den magnetiske ydeevne for de to typer sjældne jordartsmagneter, neodym (Nd 2 Fe 14 B) og samarium-cobalt (SmCo 5 ), med andre typer permanente magneter.

Magnet forberedelse B r
( T )		 H ci
(k A / m)		 B · H max
(k J / m 3 )		 T C
( ° C )
Nd 2 Fe 14 B sintret 1.0–1.4 750–2000 200–440 310–400
Nd 2 Fe 14 B bundet 0,6–0,7 600-1200 60-100 310–400
SmCo 5 sintret 0,8-1,1 600–2000 120-200 720
Sm (Co, Fe, Cu, Zr) 7 sintret 0,9-1,15 450–1300 150-240 800
Alnico sintret 0,6-1,4 275 10–88 700–860
Sr-ferrit sintret 0,2–0,4 100–300 10–40 450
Stangmagnet af jern (Fe) udglødet ? 800 ? 770

Kilde:

Typer

Samarium-kobolt

Hovedartikel: Samarium – koboltmagnet

Samarium – koboltmagneter (kemisk formel: Sm Co 5 ), den første familie af sjældne jordmagneter, der er opfundet, bruges mindre end neodymmagneter på grund af deres højere pris og lavere magnetfeltstyrke. Samarium – cobalt har dog en højere Curie-temperatur , hvilket skaber en niche for disse magneter i applikationer, hvor der er brug for høj feltstyrke ved høje driftstemperaturer . De er meget modstandsdygtige over for oxidation, men sintret samarium – cobaltmagneter er skøre og tilbøjelige til flis og revner og kan knække, når de udsættes for termisk chok .

Neodym

Hovedartikel: Neodymmagnet
Neodymmagnet med nikkelbelægning for det meste fjernet

Neodym magneter, opfundet i 1980'erne, er den stærkeste og mest overkommelige type sjældne jordarters magnet . De er lavet af en legering af neodym , jern og bor ( Nd 2 Fe 14 B ), undertiden forkortet som NIB. Neodymmagneter bruges i adskillige applikationer, der kræver stærke, kompakte permanente magneter, såsom elektriske motorer til trådløse værktøjer , harddiske , magnetiske holddowns og smykkespænder. De har den højeste magnetiske feltstyrke og har en højere koercivitet (hvilket gør dem magnetisk stabile), men de har en lavere Curie-temperatur og er mere sårbare over for oxidation end samarium – koboltmagneter.

Korrosion kan få ubeskyttede magneter til at spalle et overfladelag af eller smuldre ned i et pulver. Anvendelse af beskyttende overfladebehandlinger som guld , nikkel , zink , og tin plating og epoxy harpiks belægning kan give korrosionsbeskyttelse; de fleste neodymmagneter bruger fornikling for at give en robust beskyttelse.

Oprindeligt begrænsede de høje omkostninger ved disse magneter deres anvendelse til applikationer, der kræver kompakthed sammen med høj feltstyrke. Både råmaterialerne og patentlicenserne var dyre. Siden 1990'erne er NIB-magneter dog blevet stadig billigere, og deres lavere omkostninger har inspireret til nye anvendelser såsom magnetisk byggelegetøj .

Farer

Den større kraft, der udøves af sjældne jordmagneter, skaber farer, der ikke ses med andre magnettyper. Magneter større end et par centimeter er stærke nok til at forårsage kvæstelser på kropsdele, der er klemt mellem to magneter eller en magnet og en metaloverflade, selv forårsager knuste knogler. Magneter, der får lov til at komme for tæt på hinanden, kan ramme hinanden med tilstrækkelig kraft til at sprænge og sprænge det sprøde materiale, og de flyvende chips kan forårsage skader. Fra og med 2005 begyndte kraftige magneter, der afbryder legetøj eller fra magnetiske konstruktionssæt, at forårsage skader og dødsfald. Små børn, der har slugt flere magneter, har fået en fold i fordøjelseskanalen klemt mellem magneterne og forårsaget skade og i et tilfælde tarmperforeringer, sepsis og død.

En frivillig standard for legetøj, der permanent smeltede stærke magneter for at forhindre slugning og begrænsning af ikke-tilsluttet magnetstyrke, blev vedtaget i 2007. I 2009 forårsagede en pludselig vækst i salget af magnetiske skrivebordslegetøj til voksne en stigning i skader, hvor skønnede besøg på akutrum blev estimeret på 3.617 i 2012. Som svar vedtog den amerikanske forbrugersikkerhedskommission i 2012 en regel, der begrænsede magnetstørrelsen på sjældne jordarter i forbrugsprodukter, men den blev fraflyttet ved en amerikansk føderal domstolsafgørelse i november 2016 i en sag anlagt af den ene resterende producent. Efter at reglen blev ophævet, steg antallet af indtagelseshændelser i landet kraftigt og anslås at overstige 1.500 i 2019.

Yderligere oplysninger: Neodymmagnetlegetøj

Ansøgninger

Siden deres priser blev konkurrencedygtige i 1990'erne, har neodymmagneter erstattet alnico- og ferritmagneter i de mange applikationer inden for moderne teknologi, der kræver stærke magneter. Deres større styrke gør det muligt at bruge mindre og lettere magneter til en given applikation.

Almindelige applikationer

Neodymmagnetkugler

Almindelige anvendelser af magneter med sjældne jordarter inkluderer:

  • computer harddiske
  • vindmøller generatorer
  • højttalere / hovedtelefoner
  • cykel dynamoer
  • MR-scannere
  • fiskeri hjuls bremser
  • permanente magnetmotorer i trådløst værktøj
  • højtydende AC- servomotorer
  • trækkraftmotorer og integrerede startgeneratorer i hybrid- og elbiler
  • mekanisk drevne lommelygter , der anvender magneter med sjældne jordarter til at generere elektricitet i en rystende bevægelse eller roterende (håndsvingdrevet) bevægelse
  • industrielle anvendelser såsom opretholdelse af produktrenhed, udstyrsbeskyttelse og kvalitetskontrol
  • opsamling af fine metalliske partikler i smøreolier (krumtapkasser i forbrændingsmotorer, også gearkasser og differentier) for at holde partiklerne ude af cirkulation og derved gøre dem ude af stand til at forårsage slidende slid på bevægelige maskindele

Andre applikationer

Andre anvendelser af sjældne jordmagneter inkluderer:

Sjældne jordfrie permanente magneter

De Forenede Staters energiministerium har identificeret et behov for at finde erstatninger for sjældne jordarters metaller i permanent-magnet-teknologi og er begyndt at finansiere en sådan forskning. Den Advanced Research Projects Agency-Energi (ARPA-E) har sponsoreret en Rare Earth Alternativer i Kritiske Technologies (REACT) program, til at udvikle alternative materialer. I 2011 tildelte ARPA-E 31,6 millioner dollars til at finansiere Rare-Earth Substitute-projekter.

Genbrugsindsats

Den Europæiske Unions ETN-Demeter-projekt (European Training Network for Design and Recycling of Rare-Earth Permanent Magnet Motors and Generators in Hybrid and Full Electric Vehicles) undersøger bæredygtigt design af elektriske motorer, der anvendes i køretøjer. De designer for eksempel elektriske motorer, hvor magneterne let kan fjernes til genbrug af sjældne jordmetaller.

Den Europæiske Union 's Europæiske Forskningsråd tildelt også Principal Investigator, professor Thomas Zemb, og co-Principal Investigator, Dr. Jean-Christophe P. Gabriel, en Advanced Research Grant til projektet "Rare Earth Element Genbrug med lav skadelige emissioner : REE-CYCLE ", der havde til formål at finde nye processer til genanvendelse af sjældne jordarter .

Se også

  • Cirkulær økonomi  - Regenerativt system, hvor ressourceindgang og affald, emission og energilækage minimeres
  • Lanthanid  - Trivalente metalliske sjældne jordarter
  • Magnetfiskeri  - Søgning efter ferromagnetiske objekter i udendørs farvande
  • Genbrug  - Konvertering af affald til nye produkter
  • Samarium – koboltmagnet  - Stærk permanent magnet fremstillet af en legering af et sjældent jordelement og kobolt

Referencer

Yderligere læsning

eksterne links