Неодимовый магнит (также известный как NdFeB , NIB или Neo магнит) представляет собой постоянный магнит, изготовленный из сплава неодима , железа и бора с образованием тетрагональной кристаллической структуры Nd 2 Fe 14 B. [1] Это наиболее широко используемый тип редкоземельных магнитов . [2]
Неодимовые магниты , разработанные независимо в 1984 году компаниями General Motors и Sumitomo Special Metals , [3] [4] [5] являются самым сильным типом постоянных магнитов, доступных на рынке. [1] [6] Они заменили другие типы магнитов во многих приложениях в современных продуктах, требующих сильных постоянных магнитов, таких как электродвигатели в аккумуляторных инструментах, жесткие диски и магнитные крепления.
Магниты NdFeB можно разделить на спеченные или склеенные, в зависимости от используемого производственного процесса. [7] [8]
General Motors (GM) и Sumitomo Special Metals независимо друг от друга обнаружили соединение Nd 2 Fe 14 B почти одновременно в 1984 году. [3] Первоначально исследование было обусловлено высокой стоимостью сырья для производства самарий-кобальтовых постоянных магнитов (SmCo), которые разработано ранее. GM сосредоточилась на разработке нанокристаллических магнитов Nd 2 Fe 14 B, полученных методом прядения из расплава , а компания Sumitomo разработала спеченные магниты Nd 2 Fe 14 B полной плотности . [9]
GM коммерциализировала свои изобретения изотропного порошка Neo, связанных неомагнитов и связанных с ними производственных процессов, основав Magnequench в 1986 году (с тех пор Magnequench стала частью Neo Materials Technology, Inc., которая позже слилась с Molycorp ). Компания поставляла полученный методом расплава порошок Nd 2 Fe 14 B производителям магнитов на связке. Завод Sumitomo стал частью корпорации Hitachi и производил, а также лицензировал другие компании на производство спеченных магнитов Nd 2 Fe 14 B. Hitachi является обладателем более 600 патентов на неодимовые магниты. [9]
Китайские производители стали доминирующей силой в производстве неодимовых магнитов, основываясь на своем контроле над большей частью мировых рудников редкоземельных металлов. [10]
Министерство энергетики США определило необходимость поиска заменителей редкоземельных металлов в технологии постоянных магнитов и профинансировало такие исследования. Агентство перспективных исследовательских проектов-Энергетика спонсировало программу «Альтернативы редкоземельных элементов в критических технологиях» (РЕАКТ) по разработке альтернативных материалов. В 2011 году ARPA-E выделило 31,6 миллиона долларов на финансирование проектов по замене редкоземельных элементов. [11] Из-за его роли в постоянных магнитах, используемых в ветряных турбинах , утверждалось, что неодим станет одним из основных объектов геополитической конкуренции в мире, работающем на возобновляемых источниках энергии . Эту точку зрения критиковали за неспособность признать, что большинство ветряных турбин не используют постоянные магниты, а также за недооценку силы экономических стимулов для расширения производства. [12]
В чистом виде неодим обладает магнитными свойствами, в частности, он антиферромагнитен , но только при низких температурах, ниже 19 К (-254,2 ° C; -425,5 ° F). Однако некоторые соединения неодима с переходными металлами , такими как железо , являются ферромагнитными , а температура Кюри значительно превышает комнатную температуру. Они используются для изготовления неодимовых магнитов.
Сила неодимовых магнитов зависит от нескольких факторов. Наиболее важным является то, что тетрагональная кристаллическая структура Nd 2 Fe 14 B обладает исключительно высокой одноосной магнитокристаллической анизотропией ( HA ≈ 7 Тл – напряженность магнитного поля H в единицах А/м в зависимости от магнитного момента в А·м 2 ) . [13] [3] Это означает, что кристалл материала преимущественно намагничивается вдоль определенной оси кристалла , но его очень трудно намагничивать в других направлениях. Как и другие магниты, неодимовый магнитный сплав состоит из микрокристаллических зерен, которые во время производства выравниваются под действием мощного магнитного поля, поэтому все их магнитные оси направлены в одном направлении. Сопротивление кристаллической решетки изменению направления намагничивания придает соединению очень высокую коэрцитивную силу или устойчивость к размагничиванию.
Атом неодима может иметь большой магнитный дипольный момент , поскольку в его электронной структуре имеется 4 неспаренных электрона [14] в отличие от (в среднем) 3 в железе. В магните неспаренные электроны, выровненные так, что их спин направлен в одном направлении, генерируют магнитное поле. Это придает соединению Nd 2 Fe 14 B высокую намагниченность насыщения ( J s ≈ 1,6 Тл или 16 кГс ) и остаточную намагниченность обычно 1,3 Тл. Следовательно, поскольку максимальная плотность энергии пропорциональна Дж с 2 , эта магнитная фаза обладает потенциалом для хранения больших количеств магнитной энергии ( BH max ≈ 512 кДж/м 3 или 64 МГ·Э ).
Это значение магнитной энергии примерно в 18 раз больше, чем у «обычных» ферритовых магнитов по объему и в 12 раз по массе. Это свойство магнитной энергии выше в сплавах NdFeB, чем в магнитах из самария и кобальта (SmCo) , которые были первым типом редкоземельных магнитов, которые были коммерциализированы. На практике магнитные свойства неодимовых магнитов зависят от состава сплава, микроструктуры и технологии изготовления.
Кристаллическую структуру Nd 2 Fe 14 B можно описать как чередующиеся слои атомов железа и соединения неодим-бор. [3] Диамагнитные атомы бора не вносят непосредственного вклада в магнетизм, но улучшают когезию за счет прочной ковалентной связи . [3] Относительно низкое содержание редкоземельных элементов (12% по объему, 26,7% по массе) и относительное содержание неодима и железа по сравнению с самарием и кобальтом делает неодимовые магниты более дешевыми, чем другое основное семейство редкоземельных магнитов - самариевые . – кобальтовые магниты . [3]
Хотя неодимовые магниты имеют более высокую остаточную намагниченность и гораздо более высокую коэрцитивную силу и энергетическое произведение, они имеют более низкую температуру Кюри , чем многие другие типы магнитов. Были разработаны специальные сплавы неодимовых магнитов, включающие тербий и диспрозий , которые имеют более высокую температуру Кюри, что позволяет им выдерживать более высокие температуры. [15]
Спеченный Nd 2 Fe 14 B имеет тенденцию быть уязвимым к коррозии , особенно вдоль границ зерен спеченного магнита. Этот тип коррозии может вызвать серьезное ухудшение состояния, включая распад магнита на порошок мелких магнитных частиц или отслаивание поверхностного слоя.
Эта уязвимость устранена во многих коммерческих продуктах путем добавления защитного покрытия для предотвращения воздействия атмосферы. Стандартными методами являются никелированные, никель-медно-никелевые и цинковые покрытия, хотя также используются покрытия другими металлами или полимерные и лаковые защитные покрытия. [17]
Неодим имеет отрицательный коэффициент, что означает, что коэрцитивность и плотность магнитной энергии ( BH max ) уменьшаются с температурой. Неодим-железо-борные магниты обладают высокой коэрцитивной силой при комнатной температуре, но когда температура поднимается выше 100 ° C (212 ° F), коэрцитивность резко снижается до температуры Кюри (около 320 ° C или 608 ° F). Это падение коэрцитивной силы ограничивает эффективность магнита в условиях высоких температур, например, в ветряных турбинах и двигателях гибридных транспортных средств. Диспрозий (Dy) или тербий (Tb) добавляются, чтобы ограничить падение производительности из-за изменений температуры. Это дополнение делает магниты более дорогостоящими в производстве. [18]
Неодимовые магниты классифицируются в соответствии с их максимальным энергетическим произведением , которое относится к выходному магнитному потоку на единицу объема. Более высокие значения указывают на более сильные магниты. Для спеченных магнитов NdFeB существует широко признанная международная классификация. Их значения варьируются от N28 до N55. Первая буква N перед значениями является сокращением от неодима, что означает спеченные магниты NdFeB. Буквы, следующие за значениями, обозначают внутреннюю коэрцитивную силу и максимальные рабочие температуры (положительно коррелирующие с температурой Кюри ), которые варьируются от значения по умолчанию (до 80 °C или 176 °F) до TH (230 °C или 446 °F). [19] [20] [21]
Марки спеченных магнитов NdFeB: [7] [ нужны дополнительные объяснения ] [22] [ ненадежный источник? ]
Существует два основных метода изготовления неодимовых магнитов:
Связанный порошок нео-Nd-Fe-B связан в матрице из термопластичного полимера, образуя магниты. Материал магнитного сплава формируется путем контактной закалки на барабане с водяным охлаждением. Эту металлическую ленту измельчают в порошок, а затем подвергают термообработке для улучшения ее коэрцитивной силы . Порошок смешивают с полимером, образуя формовочную замазку, подобную стеклонаполненному полимеру . Его гранулируют для хранения, а затем ему можно придать форму путем литья под давлением . В процессе формования применяется внешнее магнитное поле, ориентирующее поле готового магнита. [24] [25]
В 2015 году японская корпорация Nitto Dko объявила о разработке нового метода спекания неодимового магнитного материала. В этом методе используется «органическая/неорганическая гибридная технология» для формирования глиноподобной смеси, которой можно придать различные формы для спекания. Говорят, что можно контролировать неоднородную ориентацию магнитного поля в спеченном материале для локальной концентрации поля, например, для улучшения характеристик электродвигателей. Массовое производство запланировано на 2017 год. [26] [27] [ нужно обновить ]
По состоянию на 2012 год в Китае ежегодно официально производится 50 000 тонн неодимовых магнитов, а в 2013 году — 80 000 тонн в рамках отдельных компаний. [28] Китай производит более 95% редкоземельных элементов и производит около 76% мирового производства редкоземельных магнитов, а также большую часть мирового неодима. [29] [9]
Неодимовые магниты заменили алнико- и ферритовые магниты во многих приложениях современной технологии, где требуются сильные постоянные магниты, поскольку их большая сила позволяет использовать меньшие и более легкие магниты для данного применения. Некоторые примеры:
Большая сила неодимовых магнитов вдохновила их на новые применения в областях, где магниты раньше не использовались, например, магнитные застежки для ювелирных изделий, сохранение изоляции из фольги, детские магнитные конструкторы (и другие игрушки с неодимовыми магнитами ), а также в качестве части запирающего механизма современных спортивное парашютное снаряжение. [32] Они являются основным металлом в ранее популярных магнитах для настольных игрушек «Buckyballs» и «Buckycubes», хотя некоторые розничные продавцы в США решили не продавать их из соображений безопасности детей, [33] и они были запрещены. в Канаде по той же причине. [34] Хотя аналогичный запрет был снят в США в 2016 году, минимальный возрастной ценз, рекомендованный CPSC, теперь составляет 14 лет, а также появились новые требования к предупреждающим знакам. [35]
Сила и однородность магнитного поля неодимовых магнитов также открыли новые возможности применения в области медицины с появлением сканеров открытого магнитного резонанса (МРТ), используемых для получения изображений тела в радиологических отделениях в качестве альтернативы сверхпроводящим магнитам, в которых используется катушка из сверхпроводящего материала. провод для создания магнитного поля. [36]
Неодимовые магниты используются в качестве хирургической антирефлюксной системы, которая представляет собой полосу магнитов [37], хирургически имплантируемую вокруг нижнего пищеводного сфинктера для лечения гастроэзофагеальной рефлюксной болезни (ГЭРБ). [38] Их также имплантировали в кончики пальцев , чтобы обеспечить сенсорное восприятие магнитных полей, [39] хотя это экспериментальная процедура, популярная только среди биохакеров и гриндеров . [40]
Большие силы, действующие на редкоземельные магниты, создают опасности, которые не могут возникнуть при использовании других типов магнитов. Неодимовые магниты размером более нескольких кубических сантиметров достаточно сильны, чтобы вызвать травмы частей тела, зажатых между двумя магнитами или магнитом и поверхностью черного металла, вплоть до переломов костей. [41]
Магниты, находящиеся слишком близко друг к другу, могут ударить друг друга с достаточной силой, чтобы расколоть и разрушить хрупкие магниты, а летящие стружки могут стать причиной различных травм, особенно травм глаз . Были даже случаи, когда у маленьких детей, проглотивших несколько магнитов, участки пищеварительного тракта защемлялись между двумя магнитами, что приводило к травмам или смерти. [42] Кроме того, это может представлять серьезную угрозу для здоровья при работе с машинами, имеющими магниты или прикрепленными к ним. [43]
Более сильные магнитные поля могут быть опасны для механических и электронных устройств, поскольку они могут стирать магнитные носители, такие как дискеты и кредитные карты , а также намагничивать часы и теневые маски мониторов типа ЭЛТ на большем расстоянии, чем магниты других типов. В некоторых случаях сколотые магниты могут представлять опасность возгорания, поскольку они собираются вместе, вызывая искры, как если бы они были зажигалкой кремня , поскольку некоторые неодимовые магниты содержат ферроцерий .