Neodijumski magneti

Neodijumski magnet (takođe poznat kao NdFeB, NIB ili kao Neo magnet, najviše korišćen za retke vrste magneta) je stalni magnet napravljen od legure neodijuma, gvožđa i bora koji u skupu formiraju Nd2Fe14B tetragonalnu kristalnu strukturu. Pronađen 1982. godine od strane Dženeral Motorsa i Sumitomo plemenitih metala, neodijumski magneti su najjači tip stalnog magneta koji su komercijalno dostupni. Oni su zamenili druge vrste magneta u mnogim aplikacijama u modernim proizvodima koji zahtevaju jake, stalne magnete, kao što su motori u akumulatorskim alatkama, hard diskovi i magnetni spojevi.

Niklovani neodijumski magnet na nosaču za hard disk

Objašnjenje uredi

Tetragonalna kristalna struktura Nd2Fe14B ima izuzetno visoku jednoaksijalnu magnetnokristalnu anizotropiju (HA ~ 7 tesla - magnetno polje snage H u A/m odnosu magnetnog momenta u A.m2). [4] Ovo daje jedinjenje koje ima potencijal za visoku koerciviciju (tj. otpor prema demagnetizaciji). Jedinjenje takođe ima visoku magnetizaciju zasićenja (Js ~ 1.6 T ili 16 kG) i tipično 1.3 Tesla. Stoga, kao što je maksimalna gustina energije proporcionalna sa Js2, ova magnetna faza ima potencijal za skladištenje velike količine magnetne energije (BHmax ~ 512 kJ/m3 ili 64 MG•Oe). Ova nekretnina je znatno veća u NdFeB leguri nego u samarijum-kobalt (SmCo) magnetima, koji su važili za prvu vrstu retkih magneta koji su komercijalizovani. U praksi, magnetne osobine neodijumskih magneta zavise od sastava legure, mikrostrukture i tehnika izrade zaposlenih.

Istorija uredi

1982. godine, Dženeral Motors (GM) i Sumitomo Specijalni Metali otkrili su Nd2Fe14B jedinjenje. Istraživanje je prvobitno vođeno visoko svežim sirovinama i troškovima za SmCo stalne magnete, koji su ranije otkriveni. GM se fokusirao na razvoj rastopa nanokristalnih magneta Nd2Fe14B, dok je Sumitomo razvio pune gustine sinterovanih magneta Nd2Fe14B.

GM je komercijalizovao svoje izume izotropnog Neo praha, vezanih Neo magneta i odnose proizvodnih procesa osnovane od strane Magnekuenča 1986. (Magnekuenč je od tada postao deo tehnologije Neo materijala, koja je kasnije pripojena Molikorp-u). Kompanija je pravila topljeni prah Nd2Fe14B za vezane magnete proizvođača.

Sumitomo objekat je postao deo Hitači korporacije i trenutno se bavi proizvodnjom i licenciranjem drugih kompanija za proizvodnju sinterovanih magneta Nd2Fe14B. Hitači drži više od 600 patenata koji pokrivaju neodijumske magnete.

Kineski proizvođači su postali dominantna sila u proizvodnji neodijumskih magneta zbog kontrole nad većinom svetskih resursa retkih zemljinih ruda.

Ministarstvo za energiju SAD je identifikovalo potrebu da se pronađe zamena za retke zemljine metale u permanentnoj magnetnoj tehnologiji i započelo je finansiranje takvih istraživanja. The Advanced Research Projects Agency-Energy (ARPA-E) je sponzorisao Rare Earth Alternatives in Critical Technologies (REACT) program da bi razvili alternativne materijale. U 2011. godini, ARPA-E dodeljuje 31,6 miliona dolara za pronalaženje retke zamene.

Produkcija uredi

Postoje dve osnovne metode za pravljenje neodijumskih magneta:

Klasična metalurgija praha ili sinterovan proces magneta
Brza solidifikacija ili vezan proces magneta

Sinterovani Nd-magneti se prave tako što se živi materijali tope u pećnici, zatim se sipaju u kalup i hlade praveći poluge. Poluge se drobe i melju; prah se zatim sinteruje u guste blokove. Blokovi se termički obrađuju, seku u oblike i površine im se namagnetišu.

U 2015. Nitto Denko korporacija Japana najavila je svoj razvoj nove metode sinterovanja materijala neodijumskog magneta. Metod iskorišćava "organske/neorganske hibridne tehnologije" za obrazovanje glinaste smeše koja može biti oblikovana u različite oblike za sinterovanje. Rečeno je da je moguće kontrolisati neuniformiranost orijentacije magnetnog polja u sinterovanom materijalu da bi lokalno koncentrisali polje da, npr, poboljša performanse elektromotora. Masovna proizvodnja planirana je za 2017. godinu.

Od 2012. godine, 50.000 tona neodijumskih magneta je zvanično proizvedeno svake godine u Kini, i 80.000 tona u, "kompanija za kompaniju", nagomilavanju napravljenom u 2013. godini. Kina proizvodi više od 95% retkih zemljinih elemenata, i proizvodi oko 76% ukupnih retkih zemljinih magneta.

Vezani Nd-magneti su napravljeni topljenjem tanke trake koja se vrti napravljene od NdFeB legure. Traka sadrži nasumično orijentisana Nd2Fe14B nano zrna. Ova traka se zatim drobi u čestice, pomešana sa polimerom pa se zatim kompresuje ili ubrizgava u kalupe vezanih magneta. Vezani magneti nude manje fleksibilan intenzitet od sinterovanih magneta, ali mogu biti neto-oblikovani i formirani u zamršenom obliku, kao što je tipično za Halbeč nizove i lukove, trapezoide i druge oblike (npr. Pot magneti, separatorske rešetke, itd.). Postoji oko 5.500 tona Neo vezanih magneta proizvedenih svake godine. Pored toga, moguće je topiti nanokristalne čestice u potpuno guste izotropne magnete, a zatim ih zagrejati i istisnuti u visoko-energetske anizotropne magnete.

Veličine uredi

Neodijum magneti (mali cilindri) za dizanje čeličnih sfera. Takvi magneti mogu lako da podignu hiljadu puta veću težinu od svoje.

Ocene uredi

Neodijumski magneti su ocenjeni prema maksimalnom energetskom proizvodu, koji se odnosi na izlazni magnetni fluks i snagu po jedinici zapremine. Više vrednosti ukazuju na jače magnete i kreću se od N35 do N52. Slova koja slede ocene ukazuju na maksimalnu radnu temperaturu (često je to temperatura Kjuri), koja se kreće od M (do 100 °C) do EH (200 °C).

Ocene neodijumskih magneta:

N35-N52
33M-48M
30H-45H
30SH-42SH
30UH-35UH
28EH-35EH

Magnetna svojstva uredi

Neke važne osobine korišćene za poređenje stalnih magneta su:

remanence (Br): koji meri jačinu magnetnog polja
coercivity (Hci): otpornost materijala da postane demagnetizovan
energy product (BH_max): gustina magnetne energije
Curie temperature (TC): temperatura pri kojoj materijal gubi magnetizam

Neodijumski magneti imaju veću remanensu, mnogo veću koercivaciju i energiju proizvoda, ali često nižu temperaturu Kjuri nego druge vrste. Neodijum je legurisana sa terbijumom i disprozijumom u cilju očuvanja svojih magnetnih svojstava na visokim temperaturama. U tabeli ispod napravljeno je poređenje magnetne performanse neodijumskih magneta i drugih vrsta stalnih magneta.

Magnet	Br (T)	Hci (kA/m)	BHmax (kJ/m3)	TC (°C)	TC (°F)
Nd₂Fe₁₄B (sinterovan)	1.0–1.4	750–2000	200–440	310–400	590–752
Nd₂Fe₁₄B (vezani)	0.6–0.7	600–1200	60–100	310–400	590–752
SmCo₅ (sinterovan)	0.8–1.1	600–2000	120–200	720	1328
Sm(Co, Fe, Cu, Zr)₇ (sinterovan)	0.9–1.15	450–1300	150–240	800	1472
Alnico (sinterovan)	0.6–1.4	275	10–88	700–860	1292–1580
Sr-ferrite (sinterovan)	0.2–0.78	100–300	10–40	450	842

Fizička i mehanička svojstva uredi

Poređenje fizičkih osobina sinterovanog neodijuma i Sm-Co
Osobina	Neodijum	Sm-Co
Remenensa (T)	1–1.3	0.82–1.16
Koercivacija (MA/m)	0.875–1.99	0.493–1.59
Relativna permeabilnost	1.05	1.05
Temperatura koeficijenta remanense (%/K)	−0.12	−0.03
Temperatura koeficijenta koercivacije (%/K)	−0.55..–0.65	−0.15..–0.30
Kirijeva temperatura (°C)	320	800
Gustina (g/cm³)	7.3–7.5	8.2–8.4
CTE, magnetizacija pravca (1/K)	5.2×10⁻⁶	5.2×10⁻⁶
CTE, normalno na magnetizaciju pravca (1/K)	−0.8×10⁻⁶	11×10⁻⁶
Otpornost na savijanje (N/mm²)	250	150
Čvrstoća na pritisak (N/mm²)	1100	800
Zatezna čvrstoća (N/mm²)	75	35
Vikers tvrdoća (HV)	550–650	500–650
Električna otpornost (Ω·cm)	(110–170)×10⁻⁶	86×10⁻⁶

Problemi korozije uredi

Sinterovani Nd2Fe14B teži da bude ranjiv na koroziju, naročito duž zrna granica sinterovanog magneta. Ovaj tip korozije može izazvati ozbiljno pogoršanje, uključujući krzanje magneta u prah malih magnetnih čestica ili drugih oštećenja površinskog sloja.

Ova ranjivost je upućena u mnogim komercijalnim proizvodima dodavanjem zaštitnog sloja koji sprečava izloženost atmosferi. Niklovanje ili dvoslojne bakar-nikl prevlake su standardne metode, mada prevlake sa drugim metalima, ili premazivanje polimera i lakova je takođe u upotrebi.

Opasnosti uredi

Što je veća sila koja deluje od strane retkih zemljinih magneta stvara se opasnost koja se ne stvara sa drugim vrstama magneta. Neodijumski magneti veći od nekoliko kubnih centimetara su dovoljno jaki da izazovu povrede na delovima tela stegnutih između dva magneta, ili magneta i metalne podloge, čak izazivaju i slomljene kosti.

Magneti kojima je dozvoljeno da budu blizu jedan drugom mogu da udare jedan drugog toliko jako da polome ili okrznu krhke materijale, i delići koji lete mogu da nanesu povrede. Bili su čak i slučajevi u kojima su deca progutala nekoliko magneta i magneti su im priklještili organe, dovodeći do povreda ili čak i smrti. Jača magnetna polja mogu da budu opasna po mehaničke i elektronske uređaje, oni mogu da obrišu magnetne medije kao što su flopi diskovi, kreditne kartice i magnetišu satove i zamračene maske CRT monitora mnogo više nego neke druge vrste magneta.

Aplikacije uredi

Postojeće magnetne aplikacije uredi

Magneti u obliku prstenja

Hard disk

Neodijumski magneti su zamenili alniko i ferit magnete u mnogim aplikacijama u modernoj tehnologiji gde se zahtevaju jaki stalni magneti, jer njihova veća snaga omogućava korišćenje manjih, lakših magneta za datu primenu. Neki primeri su:

Glavni pogoni za hard diskove
Obrisane glave za jeftine kasetofone
Magnetna rezonanca slike (MRI)
Prekidači mehaničke e-cigarete
Brave za vrata
Zvučnici i slušalice
Magnetni ležajevi i spojnice
Stacionarni NMR spektrometri
Električni motori:
- Bežični alati
- Servomotori
- Motori za podizanje i kompresiju
- Sinhroni motori
- Vretena i koračni motori
- Električna servo snaga
- Motori za hibridna i električna vozila. Elektromotor svake Tojote Prajus zahteva 1 kilogram neodijuma.
- Pogoni
Električni generatori za vetrogeneratore (samo oni sa permanentnom magnetnom pobudom)
- direktni pogoni turbine zahtevaju c. 600 kg PM materijala po megavatu
- turbine koje koriste motore zahtevaju manje PM materijala po megavatu

Neodijumski sadržaj procenjuje se na 31% od magnetne težine.

Nove aplikacije uredi

Konstrukcija neodijumskih magnetnih sfera u oblik kocke

Pored toga, veća snaga neodijumskih magneta je inspirisala nove aplikacije u oblastima u kojima magneti nisu korišćeni ranije, kao što su magnetne nakitne kopče, dečji magnetni građevinski setovi (i druge neodijumske magnetne igračke) i kao deo mehanizma za zatvaranje modernog sportskog padobrana. Oni su takođe glavni metali u bivšim popularnim magnetnim stonim igračkama, "Bakibols", mada neki trgovci su izabrali da ih ne prodaju zbog bezbednosti dece.

Snaga i magnetno polje homogenosti na neodijumskim magnetima je otvorila nove aplikacije u oblasti medicine sa uvođenjem otvorene magnetne rezonance (MRI) skenera koji se koriste za slikanje tela u odeljenju radiologije kao alternativa superprovodnih magneta koji koriste kalem superprovodnih žica da se proizvede magnetno polje.

Neodijumski magneti se koriste protiv refluksnog sistema koji predstavlja grupu magneta postavljene hirurškim putem oko želuca za lečenje gastroezofagusne refluksne bolesti (GERD).