stringtranslate.com

Редкоземельный магнит

Феррожидкость на стекле с редкоземельным магнитом под ним.

Редкоземельный магнит — это сильный постоянный магнит , изготовленный из сплавов редкоземельных элементов . Редкоземельные магниты, разработанные в 1970-х и 1980-х годах, представляют собой самый сильный тип постоянных магнитов, создающих значительно более сильные магнитные поля, чем другие типы, такие как ферритовые или алнико -магниты. Магнитное поле , обычно создаваемое редкоземельными магнитами, может превышать 1,2 Тл , тогда как ферритовые или керамические магниты обычно имеют поля от 0,5 до 1 Тл.

Существует два типа магнитов: неодимовые магниты и самарий-кобальтовые магниты . Редкоземельные магниты чрезвычайно хрупкие , а также уязвимы к коррозии , поэтому их обычно покрывают гальваническим покрытием , чтобы защитить их от разрушения, 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 иттрия и кобальта YCo 5 имел самую большую константу магнитной анизотропии среди всех известных тогда материалов. . [1] [2]

Термин «редкоземельные» может вводить в заблуждение, поскольку некоторые из этих металлов могут быть столь же распространены в земной коре, как олово или свинец, [3] но редкоземельные руды не существуют в пластах (таких как уголь или медь), поэтому в любом учитывая кубический километр земной коры, они «редки». [4] [5] Основным источником в настоящее время является Китай . [6] Некоторые страны классифицируют редкоземельные металлы как стратегически важные, [7] и в последнее время [ когда? ] Китайские ограничения на экспорт этих материалов привели некоторых [ кто? ] инициировать исследовательские программы по разработке сильных магнитов, не требующих редкоземельных металлов.

Характеристики

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

Редкоземельные ( лантаноиды ) элементы — это металлы, которые являются ферромагнитными , то есть, как и железо , их можно намагничивать , превращая в постоянные магниты , но их температура Кюри (температура, выше которой их ферромагнетизм исчезает) ниже комнатной температуры, поэтому в чистом виде их магнетизм проявляется только при низких температурах. Однако они образуют соединения с переходными металлами , такими как железо , никель и кобальт , и некоторые из этих соединений имеют температуру Кюри, значительно превышающую комнатную температуру. Из этих соединений изготавливаются редкоземельные магниты.

Большая сила редкоземельных магнитов обусловлена ​​главным образом двумя факторами:

Некоторыми важными свойствами, используемыми для сравнения постоянных магнитов, являются: остаточная намагниченность ( Br ), которая измеряет силу магнитного поля; коэрцитивность ( H ci ), сопротивление материала размагничиванию; энергетическое произведение ( B·H max ), плотность магнитной энергии; и температура Кюри ( TC ), температура, при которой материал теряет магнетизм . Редкоземельные магниты имеют более высокую остаточную намагниченность, гораздо более высокую коэрцитивную силу и энергетическое произведение, но (для неодима) более низкую температуру Кюри, чем другие типы. В таблице ниже сравниваются магнитные характеристики двух типов редкоземельных магнитов: неодимового (Nd 2 Fe 14 B) и самарий-кобальтового (SmCo 5 ), с другими типами постоянных магнитов.

Типы

Самарий-кобальт

Самариево - кобальтовые магниты (химическая формула: SmCo 5 ), 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 температуру Кюри , что создает нишу для этих магнитов в приложениях, где необходима высокая напряженность поля при высоких рабочих температурах . Они очень устойчивы к окислению, но спеченные самариево-кобальтовые магниты хрупкие, склонны к сколам и растрескиванию и могут сломаться при термическом ударе .

Неодим

Неодимовый магнит с никелированным покрытием, практически удаленным.

Неодимовые магниты, изобретенные в 1980-х годах, являются самым сильным и доступным типом редкоземельных магнитов. Они изготовлены из сплава неодима, железа и бора (Nd 2 Fe 14 B), иногда обозначаемого сокращенно NIB. Неодимовые магниты используются во многих приложениях, требующих сильных и компактных постоянных магнитов, таких как электродвигатели для аккумуляторных инструментов, жесткие диски , магнитные фиксаторы и застежки для ювелирных изделий. Они имеют самую высокую напряженность магнитного поля и более высокую коэрцитивную силу (что делает их магнитостабильными), но имеют более низкую температуру Кюри и более уязвимы к окислению , чем самарий-кобальтовые магниты.

Коррозия может привести к отслоению поверхностного слоя незащищенных магнитов или распаду их в порошок. Использование защитной обработки поверхности, такой как золото , никель , цинк , олово и покрытие эпоксидной смолой, может обеспечить защиту от коррозии; В большинстве неодимовых магнитов используется никелирование для обеспечения надежной защиты.

Первоначально высокая стоимость этих магнитов ограничивала их использование в приложениях, требующих компактности и высокой напряженности поля. И сырье, и патентные лицензии были дорогими. Однако с 1990-х годов магниты NIB стали стабильно дешевле, а их более низкая стоимость вдохновила на новые применения, такие как магнитные конструкторы.

Приложения

Неодимовые магнитные шарики

С тех пор как в 1990-х годах цены на них стали конкурентоспособными, неодимовые магниты заменили алнико- и ферритовые магниты во многих применениях в современных технологиях, требующих мощных магнитов. Их большая сила позволяет использовать магниты меньшего размера и легче для конкретного применения.

Общие применения редкоземельных магнитов включают:

Другие применения редкоземельных магнитов включают:

Опасности и законодательство

Два предмета из неодимовых магнитов. Правильный объект имеет плотную упаковку равных сфер .
Неодимовые магнитные сферы, выполненные в форме куба.
Сферы из неодимового магнита, используемые для формирования различных форм.
Игрушечные сферы из неодимового магнита "Bucky Ball" крупным планом

Большая сила, оказываемая редкоземельными магнитами, создает опасности, которые не наблюдаются при использовании других типов магнитов. Магниты размером более нескольких сантиметров достаточно сильны, чтобы вызвать травмы частей тела, зажатых между двумя магнитами или магнитом и металлической поверхностью, и даже привести к переломам костей. [12] Магниты, если подойти слишком близко друг к другу, могут ударить друг друга с достаточной силой, чтобы расколоть и разрушить хрупкий материал, а летящие стружки могут стать причиной травм. Начиная с 2005 года мощные магниты, отрывающиеся от игрушек или магнитных конструкторов, стали причиной травм и смертей. [13] У маленьких детей, проглотивших несколько магнитов, складка пищеварительного тракта была защемлена между магнитами, что привело к травме, а в одном случае к перфорации кишечника, сепсису и смерти. [14]

Проглатывание небольших магнитов, таких как неодимовые магнитные сферы, может привести к повреждению кишечника, требующему хирургического вмешательства. Магниты притягивают друг друга через стенки желудка и кишечника, перфорируя кишечник. [15] [16] Центры по контролю заболеваний США сообщили о 33 случаях по состоянию на 2010 год, требующих хирургического вмешательства, и одном случае смерти. [17] [18] Магниты проглатывали как малыши, так и подростки (которые использовали магниты, чтобы притвориться, что у них пирсинг языка). [19]

Северная Америка

В 2007 году был принят добровольный стандарт для игрушек, в котором сильные магниты постоянно соединяются во избежание проглатывания, а также ограничивается сила несвязанных магнитов . По оценкам, в 2012 году количество посещений комнат составило 3617. [13] В ответ Комиссия по безопасности потребительских товаров США в 2012 году приняла правило, ограничивающее размер редкоземельных магнитов в потребительских товарах, но оно было отменено решением федерального суда США в ноябре 2016 года в дело, возбужденное одним оставшимся производителем. [20] После того, как это правило было отменено, количество случаев проглатывания в стране резко возросло и, по оценкам, превысит 1500 в 2019 году, что побудило CPSC рекомендовать детям в возрасте до 14 лет не использовать магниты. [13]

В 2009 году американская компания Maxfield & Oberton, производитель Buckyballs, решила переупаковать сферические магниты и продавать их как игрушки. [21] Buckyballs были представлены на Нью-Йоркской международной ярмарке подарков в 2009 году и проданы сотнями тысяч, прежде чем Комиссия по безопасности потребительских товаров США объявила об отзыве упаковки с маркировкой 13+. [22] По данным CPSC, населению было продано 175 000 единиц. Было возвращено менее 50. [23] Бакиболлы с надписью «Беречь от всех детей» не были отозваны. [ нужна цитата ] Впоследствии Maxfield & Oberton изменила все упоминания «игрушки» на «настольную игрушку», позиционируя продукт как средство для снятия стресса для взрослых и ограничив продажи в магазинах, которые продавали в основном детские товары. [24]

В Соединенных Штатах в результате примерно 2900 посещений отделений неотложной помощи в период с 2009 по 2013 год из-за «шарообразных» или «мощных» магнитов, или того и другого, Комиссия по безопасности потребительских товаров США (CPSC) подверглась разработке правил. попытаться ограничить их продажу. [25]

Дальнейшее расследование CPSC, опубликованное в 2012 году, выявило тенденцию к увеличению случаев проглатывания магнитов среди маленьких детей и подростков с 2009 года. Инциденты с участием детей старшего возраста и подростков были непреднамеренными и были результатом использования магнитов для имитации пирсинга на теле, например, шпилек на языке. [26] Комиссия указала на скрытые осложнения, если более одного магнита прикрепляется к тканям внутри тела. [ нужна цитация ] Еще один отзыв был произведен для Buckyballs в 2012 году вместе с аналогичными продуктами, продаваемыми в США как игрушки. Отзыв и административные жалобы были поданы против других аналогичных компаний в США. Maxfield & Oberton отказалась от отзыва и продолжила продавать свои настольные игрушки. Компания начала политическую кампанию против CPSC, а Крейг Цукер, соучредитель компании, обсуждал работу комиссии по безопасности на канале FOX News. [27]

В июне 2012 года из-за письма сенатора США Кирстен Гиллибранд председателю Комиссии по безопасности потребительских товаров США Инес Тененбаум [28] Комиссия по безопасности потребительских товаров США подала административные жалобы, пытаясь запретить продажу Buckyballs [29] и магнитов Zen . . [30] Zen Magnets LLC — первая компания, которая когда-либо получала такого рода жалобы без каких-либо сведений о травмах. [31] В ноябре 2012 года Buckyballs объявили, что остановили производство из-за иска CPSC. [32]

В марте 2016 года компания Zen Magnets (производитель сфер из неодимовых магнитов) выиграла крупное судебное слушание 2014 года по вопросу об опасности, которую представляют «дефектные» предупреждающие надписи на сферических магнитах. [33] [34] Суд округа Колумбия [35] (Досье CPSC №: 12-2) решил , что «Правильное использование магнитов Дзен и Неошаров не создает никакой опасности». [36] По состоянию на январь 2017 года многие бренды магнитных сфер, включая Zen Magnets, возобновили продажу небольших неодимовых магнитных сфер после успешной апелляции компании Zen Magnets в Апелляционный суд США десятого округа, которая отменила постановление CPSC 2012 года, запрещающее эти продукты и тем самым продажа небольших неодимовых магнитов снова стала законной в Соединенных Штатах. [37] Это была первая подобная потеря CPSC за более чем 30 лет. [38]

Исследование, опубликованное в «Журнале педиатрической гастроэнтерологии и питания», выявило значительное увеличение случаев проглатывания магнитов детьми после 2017 года, включая «5-кратное увеличение масштабов оказания помощи при многократном проглатывании магнитов». [39] 3 июня 2020 г. CPSC представил в комиссию «Информационный пакет для персонала по реагированию на петицию», даже после того, как петиция была отозвана. В нем изложено желание провести исследование в 2021 году с предложенным предложением правил в 2022 году для голосования. [40]

По состоянию на 2019 год производители работают над аналогичным добровольным стандартом ASTM . [41] 26 октября 2017 года CPSC подал административную жалобу на Zen Magnets, утверждая, что наборы магнитов содержат дефекты продукта, которые создают существенный риск травмирования детей, заявив, что «в соответствии с федеральным законом любое лицо незаконно продавать, предлагать к продаже, производить, распространять в коммерческих целях или импортировать в Соединенные Штаты любые магниты Дзен и Неошары». [42]

Продажа «определенных товаров с маленькими мощными магнитами» запрещена в Канаде с 2015 года. [43]

Океания

В ноябре 2012 года, после временного запрета в Новом Южном Уэльсе , [44] на всей территории Австралии вступил в силу постоянный запрет на продажу неодимовых магнитов. [45]

В январе 2013 года министр по делам потребителей Саймон Бриджес объявил о запрете на импорт и продажу наборов неодимовых магнитов в Новой Зеландии, вступающем в силу с 24 января 2013 года. [46]

Воздействие на окружающую среду

Проект Европейского Союза ETN-Demeter (Европейская сеть обучения по проектированию и переработке двигателей и генераторов с редкоземельными постоянными магнитами в гибридных и полностью электрических транспортных средствах) [47] изучает устойчивую конструкцию электродвигателей, используемых в транспортных средствах. Они, например, разрабатывают электродвигатели, в которых магниты можно легко снять для переработки редкоземельных металлов.

Европейский исследовательский совет Европейского Союза также наградил главного исследователя профессора Томаса Земба и соглавного исследователя доктора Жана-Кристофа П. Габриэля грантом на перспективные исследования для проекта «Переработка редкоземельных элементов с низкими вредными выбросами». : REE-CYCLE», целью которого было найти новые процессы переработки редкоземельных элементов . [48]

Альтернативы

Министерство энергетики США определило необходимость поиска заменителей редкоземельных металлов в технологии постоянных магнитов и начало финансировать такие исследования. Агентство перспективных исследовательских проектов в области энергетики (ARPA-E) спонсировало программу «Редкоземельные альтернативы в критических технологиях» (REACT) по разработке альтернативных материалов. В 2011 году ARPA-E выделило 31,6 миллиона долларов на финансирование проектов по замене редкоземельных элементов. [49]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Каллити, Б.Д.; Грэм, компакт-диск (2008). Введение в магнитные материалы. Вайли-IEEE. п. 489. ИСБН 978-0-471-47741-9.
  2. ^ Лавлейс, Алан М. (март – апрель 1971 г.). «Больше пробега, чем запланировано в результате военных исследований и разработок». Обзор воздушного университета . ВВС США. 22 (3): 14–23. Архивировано из оригинала 24 февраля 2013 года . Проверено 4 июля 2012 г.
  3. ^ Боббер, Р.Дж. (1981). «Новые типы преобразователей». Подводная акустика и обработка сигналов . стр. 243–261. дои : 10.1007/978-94-009-8447-9_20. ISBN 978-94-009-8449-3.
  4. ^ Маккейг, Малькольм (1977). Постоянные магниты в теории и практике . США: Уайли. п. 123. ИСБН 0-7273-1604-4.
  5. ^ Сигел, Астрид; Хельмут Сигель (2003). Лантаниды и их взаимоотношения с биосистемами . США: CRC Press. стр. против ISBN 0-8247-4245-1.
  6. ↑ Уолш, Брайан (13 марта 2012 г.). «Рвение к борьбе: США спорят с Китаем из-за экспорта редкоземельных металлов». Журнал Тайм . Проверено 13 ноября 2017 г.
  7. ^ Чу, Стивен (2011). Стратегия критических материалов. Издательство Диана. стр. 96–98. ISBN 978-1437944181. Китайские редкоземельные магниты.
  8. ^ Введение в магниты и магнитные материалы, Дэвид Джайлс, Ames Laboratories, Министерство энергетики США, 1991 г.
  9. ^ Байхнер и Сервей. Физика для ученых и инженеров с современной физикой. 5-е изд. Орландо: Колледж Сондерса, 2000: 963.
  10. ^ Температура Кюри. Энциклопедия науки и технологий McGraw-Hill. 8-е изд. 20 томов. NP: McGraw-Hill, 1997.
  11. ^ Холл, Х.Э. и Дж.Р. Хук. Физика твердого тела. 2-е изд. Чичестер: John Wiley & Sons Ltd, 1991: 226.
  12. ↑ Суэйн, Фрэнк (6 марта 2009 г.). «Как вытащить палец двумя супермагнитами». Блог Sciencepunk . ООО «Сид Медиа Групп» . Проверено 1 ноября 2017 г.
  13. ^ abcd «Количество детей, проглатывающих опасные магниты, растет, поскольку промышленность в значительной степени контролирует себя». Вашингтон Пост . 2019-12-26. Архивировано из оригинала 11 июня 2023 г.
  14. ^ «Предупреждение о магнитной безопасности» (PDF) . Комиссия США по безопасности потребительских товаров . Проверено 20 июля 2014 г.
  15. ↑ Ребенку сделали операцию на кишечнике после проглатывания магнитных шариков, Hamilton Spectator, 13 марта 2013 г.
  16. ^ Маленькие дети могут проглотить магниты и серьезно повредить кишечник, предупреждают врачи Global News Торонто, 12 марта 2013 г.
  17. ^ Брукс, Леонард Дж; Данн, Пол (31 марта 2009 г.). «Магнитные игрушки могут навредить». Деловая и профессиональная этика для директоров, руководителей и бухгалтеров (Пятое изд.). Паб Юго-Западного колледжа. п. 33. ISBN 978-0-324-59455-3. Проверено 23 июля 2010 г.
  18. ^ «Предупреждение о безопасности CPSC: проглатывание магнитов может вызвать серьезные травмы кишечника» (PDF) . Комиссия США по безопасности потребительских товаров . Архивировано из оригинала (PDF) 3 марта 2012 года . Проверено 23 июля 2010 г. Комиссии по безопасности потребительских товаров США (CPSC) известно как минимум о 33 случаях травм детей в результате проглатывания магнитов. 20-месячный ребенок умер, а еще как минимум 19 детям в возрасте от 10 месяцев до 11 лет потребовалась операция по удалению проглоченных магнитов.
  19. ↑ Федеральное правительство подает иск против Buckyballs, розничные продавцы запрещают продукт, USA Today, 26 июля 2012 г.
  20. ^ «Снимок отзыва CPSC» (PDF) . Олстон и Бёрд. Декабрь 2016 г. Архивировано из оригинала (PDF) 30 декабря 2016 г. Проверено 29 декабря 2016 г.
  21. ↑ Мартин, Эндрю (16 августа 2012 г.). «Для игрушек Buckyballs безопасность детей становится растущей проблемой». Нью-Йорк Таймс .
  22. ^ Наборы мощных магнитов Buckyballs® отозваны Максфилдом и Обертоном из-за нарушения Федерального стандарта игрушек, Комиссия по безопасности потребительских товаров, 27 мая 2010 г.
  23. ↑ Ахмари, Сохраб (30 августа 2013 г.). «Крейг Цукер: Что происходит, когда человек бросает вызов федералам». Уолл Стрит Джорнал . Проверено 1 сентября 2013 г.
  24. ^ Соблюдение требований безопасности Buckyballs, Максфилд и Обертон.
  25. ^ «Стандарт безопасности для наборов магнитов – окончательное правило» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 28 мая 2015 года . Проверено 10 сентября 2014 г.
  26. ^ «CPSC предупреждает, что мощные магниты и дети представляют собой смертельную смесь» . Проверено 15 июля 2014 г.
  27. ↑ Бакиболлы сопротивляются, The Washington Post, 2 августа 2012 г.
  28. ^ «Гиллибранд призывает федеральные органы власти запретить продажу опасных мощных игрушечных магнитов» . Кирстен Гиллибранд . 19 июня 2012 г. Архивировано из оригинала 12 декабря 2012 г.
  29. ^ «CPSC подает в суд на Максфилда и Обертона из-за опасного бакибола» . Архивировано из оригинала 5 августа 2012 года . Проверено 18 февраля 2013 г.
  30. ^ «CPSC подает в суд на Zen Magnets» . Архивировано из оригинала 28 октября 2012 года . Проверено 18 февраля 2013 г.
  31. ^ «Федеральное агентство нацелено на денверскую магнитную компанию, у которой нет травм» . Архивировано из оригинала 24 октября 2012 года . Проверено 31 октября 2012 г.
  32. ↑ Беллини, Джарретт (2 ноября 2012 г.). «До свидания, Бакиболлы». CNN .
  33. ^ "Hurtownia obuwia w Wólce Kosowskiej" . Проверено 14 июля 2023 г.
  34. ^ «Заключение 10-го окружного апелляционного суда, Zen Magnets против CPSC» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 12 декабря 2016 года . Проверено 10 января 2017 г.
  35. ^ «Иски об отзыве: судебное разбирательство» . Комиссия США по безопасности потребительских товаров . Проверено 16 июня 2016 г.
  36. ^ «Обновление 29 марта 2016 г.: Ого. Мы выиграли | Zen Magnets» . zenmagnets.com . Архивировано из оригинала 6 июня 2016 года . Проверено 16 июня 2016 г.
  37. ^ «Заключение 10-го окружного апелляционного суда, Zen Magnets против CPSC» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 12 декабря 2016 года . Проверено 10 января 2017 г.
  38. ^ «Как стремление одного человека спасти свои магниты превратилось в масштабную нормативную битву» . ХаффПост . 21 августа 2017 г.
  39. ^ Ривз, Патрик Т.; Рудольф, Брайан; Нюлунд, Кейд М. (2020). «Проглатывание магнита детьми, обратившимися в отделения неотложной помощи США в 2009–2019 годах: проблема в потоке». Журнал детской гастроэнтерологии и питания . 71 (6): 699–703. дои : 10.1097/MPG.0000000000002955. PMID  32969961. S2CID  221885548.
  40. ^ 30. ^ Пакет информационных материалов для персонала в ответ на петицию CP 17-1 с просьбой разработать правила в отношении наборов магнитов. https://www.cpsc.gov/s3fs-public/Informational%20Briefing%20Package%20Regarding%20Magnet%20Sets.pdf?FKVcZpHmPKWCZNb7JEl6Ir0a31WV72PI
  41. ^ «Количество детей, глотающих опасные магниты, растет, поскольку промышленность в значительной степени контролирует себя» . Вашингтон Пост . 2019-12-26. Архивировано из оригинала 11 июня 2023 г.
  42. ^ «CPSC выносит решение по магнитам Zen» .
  43. ^ «Магнитная безопасность». 15 ноября 2010 г.
  44. ^ «Временный запрет на новинки с маленькими магнитами» . Правительство Нового Южного Уэльса – Справедливая торговля. 23 августа 2012. Архивировано из оригинала 19 февраля 2013 года . Проверено 6 января 2013 г. Г-н Робертс сказал, что магниты из новинок и исполнительских игрушек проглатывали маленькие дети, в то время как некоторые дети старшего возраста и подростки проглатывали магниты после того, как использовали их в качестве имитации пирсинга языка или губы.
  45. ^ «VIC: Обновление: постоянный запрет на небольшие магниты большой мощности» . Безопасность продукции, Австралия. 15 ноября 2012 г.
  46. ^ «Запрет на продажу наборов мощных магнитов» . Правительство Новой Зеландии, 23 января 2013 г.
  47. ^ "Проект ДЕМЕТР" . etn-demeter.eu .
  48. ^ "Проект REE-CYCLE" . Cordis.europa.eu .
  49. ^ «Финансирование исследований постоянных магнитов, не содержащих редкоземельных элементов» . АРПА-Э. Архивировано из оригинала 10 октября 2013 года . Проверено 23 апреля 2013 г.

дальнейшее чтение

Внешние ссылки