stringtranslate.com

Редкоземельный магнит

Ферромагнитная жидкость на стекле с редкоземельным магнитом под ней

Редкоземельный магнит — это сильный постоянный магнит, изготовленный из сплавов редкоземельных элементов . Разработанные в 1970-х и 1980-х годах, редкоземельные магниты являются самым сильным типом постоянных магнитов, производя значительно более сильные магнитные поля, чем другие типы, такие как ферритовые или алнико- магниты. Магнитное поле, обычно создаваемое редкоземельными магнитами, может превышать 1,2 тесла , тогда как ферритовые или керамические магниты обычно демонстрируют поля от 0,5 до 1 тесла.

Существует два типа: неодимовые магниты и самарий-кобальтовые магниты . Редкоземельные магниты чрезвычайно хрупкие и также подвержены коррозии , поэтому их обычно покрывают слоем , чтобы защитить от поломки, сколов или рассыпания в порошок.

Разработка редкоземельных магнитов началась около 1966 года, когда К. Дж. Стрнат и Г. Хоффер из Лаборатории материалов ВВС США обнаружили, что сплав иттрия и кобальта , YCo 5 , имеет самую большую константу магнитной анизотропии среди всех известных на тот момент материалов. [1] [2]

Термин «редкоземельные металлы» может вводить в заблуждение, так как некоторые из этих металлов могут быть столь же распространены в земной коре, как олово или свинец, [3] но редкоземельные руды не существуют в пластах (как уголь или медь), поэтому в любом кубическом километре земной коры они «редки». [4] [5] Китай имеет самую высокую добычу [6] но Китай импортирует значительные объемы руды РЗЭ из Мьянмы . Некоторые страны классифицируют редкоземельные металлы как стратегически важные, [7] и китайские ограничения на экспорт этих материалов побудили другие страны, включая Соединенные Штаты , инициировать исследовательские программы по разработке сильных магнитов, не требующих редкоземельных металлов. [8]

Характеристики

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

Редкоземельные ( лантаноидные ) элементы — это металлы, которые являются ферромагнитными , что означает, что, подобно железу, они могут быть намагничены , становясь постоянными магнитами , 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 выше комнатной температуры. Редкоземельные магниты изготавливаются из этих соединений.

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

Некоторые важные свойства, используемые для сравнения постоянных магнитов: остаточная намагниченность ( B r ), которая измеряет силу магнитного поля; коэрцитивная сила ( H ci ), сопротивление материала размагничиванию; энергетическое произведение ( B·H max ), плотность магнитной энергии; и температура Кюри ( T C ), температура, при которой материал теряет свой 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, неодимовых (Nd 2 Fe 14 B) и самарий-кобальтовых (SmCo 5 ), с другими типами постоянных магнитов.

Типы

Самарий–кобальт

Самарий - 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 требуется высокая напряженность поля при высоких рабочих температурах . Они обладают высокой устойчивостью к окислению, но спеченные самарий-кобальтовые магниты хрупкие и склонны к сколам и трещинам и могут ломаться при воздействии теплового удара .

неодимовый

Неодимовый магнит с почти полностью удаленным никелевым покрытием

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

Коррозия может привести к тому, что незащищенные магниты отколются от поверхностного слоя или рассыплются в порошок. Использование защитных обработок поверхности, таких как золотое , никелевое , цинковое и луженое покрытие, а также покрытие эпоксидной смолой может обеспечить защиту от коррозии; большинство неодимовых магнитов используют никелевое покрытие для обеспечения надежной защиты.

Первоначально высокая стоимость этих магнитов ограничивала их применение приложениями, требующими компактности вместе с высокой напряженностью поля. Как сырье, так и патентные лицензии были дорогими. Однако с 1990-х годов магниты NIB стали неуклонно дешевле, и их более низкая стоимость вдохновила на новые применения, такие как магнитные конструкторы.

Приложения

Шарики из неодимового магнита

С тех пор как их цены стали конкурентоспособными в 1990-х годах, неодимовые магниты заменили алнико и ферритовые магниты во многих приложениях в современных технологиях, требующих мощных магнитов. Их большая прочность позволяет использовать более мелкие и легкие магниты для данного приложения.

Распространенные области применения редкоземельных магнитов включают:

Другие области применения редкоземельных магнитов включают:

Опасности и законодательство

Два объекта из неодимовых магнитов. Правый объект имеет плотную упаковку равных сфер .
Неодимовые магнитные сферы, выполненные в форме куба
Сферы из неодимового магнита, используемые для создания различных форм
Игрушечные неодимовые магнитные сферы "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 нанести травмы частям тела, зажатым между двумя магнитами или магнитом и металлической поверхностью, и даже вызвать переломы костей. [16] Магниты, которые находятся слишком близко друг к другу, могут ударить друг друга с достаточной силой, чтобы расколоть и разбить хрупкий материал, а летящие осколки могут нанести травмы. Начиная с 2005 года, мощные магниты, отламывающиеся от игрушек или магнитных конструкторов, стали вызывать травмы и смерти. [17] У маленьких детей, проглотивших несколько магнитов, между магнитами была зажата складка пищеварительного тракта , что привело к травме и в одном случае к перфорации кишечника, сепсису и смерти. [18]

Проглатывание небольших магнитов, таких как неодимовые магнитные сферы, может привести к повреждению кишечника, требующему хирургического вмешательства. Магниты притягиваются друг к другу через стенки желудка и кишечника, перфорируя кишечник. [19] [20] Центры по контролю и профилактике заболеваний США сообщили о 33 случаях по состоянию на 2010 год, требующих хирургического вмешательства, и об одном летальном исходе. [21] [22] Магниты проглатывались как малышами, так и подростками (которые использовали магниты, чтобы притвориться, что у них пирсинг языка). [23]

Северная Америка

В 2007 году был принят добровольный стандарт для игрушек, предусматривающий постоянное слияние сильных магнитов для предотвращения проглатывания и ограничение силы неподключенных магнитов. [17] В 2009 году внезапный рост продаж магнитных настольных игрушек для взрослых вызвал всплеск травм, при этом количество обращений в отделения неотложной помощи в 2012 году оценивалось в 3617. [17] В ответ на это 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 по делу, возбужденному единственным оставшимся производителем. [24] После того, как 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. [17]

В 2009 году американская компания Maxfield & Oberton, производитель Buckyballs, решила переупаковать сферические магниты и продавать их как игрушки. [25] Buckyballs были представлены на Нью-Йоркской международной ярмарке подарков в 2009 году и продавались сотнями тысяч, прежде чем Комиссия по безопасности потребительских товаров США выпустила отзыв на упаковке с маркировкой 13+. [26] По данным CPSC, 175 000 единиц были проданы населению. Менее 50 были возвращены. [27] Buckyballs с маркировкой «Беречь от всех детей» не были отозваны. [ нужна цитата ] Впоследствии Maxfield & Oberton изменили все упоминания «игрушки» на «настольную игрушку», позиционировав продукт как средство для снятия стресса для взрослых и ограничив продажи в магазинах, которые продавали в основном детские товары. [28]

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 и того, и другого, Комиссия по безопасности потребительских товаров США (CPSC) приняла правила, чтобы попытаться ограничить их продажу. [29]

Дальнейшее расследование CPSC, опубликованное в 2012 году, выявило тенденцию к росту случаев проглатывания магнитов маленькими детьми и подростками с 2009 года. Инциденты с участием детей старшего возраста и подростков были непреднамеренными и стали результатом использования магнитов для имитации пирсинга тела, такого как языковые шпильки. [30] Комиссия сослалась на скрытые осложнения, если более одного магнита прикрепляется к тканям внутри тела. [ требуется ссылка ] Еще один отзыв был выпущен для Buckyballs в 2012 году вместе с аналогичными продуктами, продаваемыми как игрушки в США. Отзывам и административным жалобам были поданы против других подобных компаний в США. Maxfield & Oberton отказались от отзыва и продолжили продавать свои настольные игрушки. Компания начала политическую кампанию против CPSC, а Крейг Цукер, соучредитель компании, участвовал в дебатах с комиссией по безопасности на канале FOX News. [31]

В июне 2012 года в связи с письмом сенатора США Кирстен Джиллибранд председателю Комиссии по безопасности потребительских товаров США Инес Тененбаум [32] Комиссия по безопасности потребительских товаров США подала административные жалобы, пытаясь запретить продажу Buckyballs [33] и Zen Magnets. [34] Zen Magnets LLC стала первой компанией, которая когда-либо получала такого рода жалобы без записи о травмах. [35] В ноябре 2012 года Buckyballs объявила, что они остановили производство из-за иска CPSC. [36]

В марте 2016 года компания Zen Magnets (производитель неодимовых магнитных сфер) выиграла крупное судебное слушание 2014 года по вопросу об опасности, которую представляют «дефектные» предупреждающие этикетки на их сферических магнитах. [37] Суд округа Колумбия [38] (дело CPSC № 12-2) постановил , что «надлежащее использование Zen Magnets и Neoballs не создает никакой опасности». [39] По состоянию на январь 2017 года многие бренды магнитных сфер, включая Zen Magnets, возобновили продажу небольших неодимовых магнитных сфер после успешной апелляции Zen Magnets в Апелляционном суде США десятого округа, который отменил постановление CPSC 2012 года, запрещающее эту продукцию, и тем самым снова сделал продажу небольших неодимовых магнитов законной в Соединенных Штатах. [40] Это был первый такой проигрыш CPSC за более чем 30 лет. [41]

Исследование, опубликованное в журнале Journal of Pediatric Gastroenterology and Nutrition, выявило значительное увеличение случаев проглатывания магнитов детьми после 2017 года, включая «5-кратное увеличение эскалации помощи при многократном проглатывании магнитов». [42] 3 июня 2020 года CPSC представила в комиссию «Пакет информационных материалов для сотрудников по реагированию на петицию», даже после того, как петиция была отменена. В нем излагается желание провести исследование в 2021 году с предлагаемым предложением по правилу в 2022 году для голосования. [43]

По состоянию на 2019 год производители работают над аналогичным добровольным стандартом в ASTM . [44] 26 октября 2017 года Комиссия по безопасности потребительских товаров (CPSC) подала административную жалобу на Zen Magnets, утверждая, что наборы магнитов содержали дефекты продукта, которые создавали существенный риск травмирования детей, заявив, что «в соответствии с федеральным законом продажа, предложение для продажи, производство, распространение в торговле или импорт в Соединенные Штаты любых Zen Magnets и Neoballs является незаконной». [45]

Продажа «определенных товаров с небольшими, но мощными магнитами» запрещена в Канаде с 2015 года. [46]

Океания

В ноябре 2012 года, после временного запрета в Новом Южном Уэльсе [47] , на всей территории Австралии вступил в силу постоянный запрет на продажу неодимовых магнитов. [48]

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. [49]

Воздействие на окружающую среду

Проект Европейского Союза ETN-Demeter (Европейская учебная сеть по проектированию и переработке двигателей и генераторов с редкоземельными постоянными магнитами в гибридных и полностью электрических транспортных средствах) [50] изучает устойчивое проектирование электродвигателей, используемых в транспортных средствах. Например, они проектируют электродвигатели, в которых магниты можно легко снять для переработки редкоземельных металлов.

Европейский исследовательский совет Европейского союза также предоставил главному исследователю, профессору Томасу Зембу, и со-главному исследователю, доктору Жану-Кристофу П. Габриэлю, грант на проведение передовых исследований для проекта «Переработка редкоземельных элементов с низким уровнем вредных выбросов: REE-CYCLE», целью которого является поиск новых процессов переработки редкоземельных элементов . [51]

Альтернативы

Министерство энергетики США выявило необходимость поиска заменителей редкоземельных металлов в технологии постоянных магнитов и начало финансировать такие исследования. Агентство перспективных исследовательских проектов в энергетике (ARPA-E) спонсировало программу «Альтернативы редкоземельным металлам в критических технологиях» (REACT) для разработки альтернативных материалов. В 2011 году ARPA-E выделило 31,6 млн долларов на финансирование проектов по замене редкоземельных металлов. [8]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Каллити, Б. Д.; Грэм, К. Д. (2008). Введение в магнитные материалы. Wiley-IEEE. стр. 489. ISBN 978-0-471-47741-9.
  2. ↑ Лавлейс, Алан М. (март–апрель 1971 г.). «Больше пробега, чем запрограммировано в рамках военных НИОКР». Обзор университета авиации . 22 (3). ВВС США: 14–23. Архивировано из оригинала 24 февраля 2013 г. Получено 4 июля 2012 г.
  3. ^ Боббер, Р. Дж. (1981). «Новые типы преобразователей». Подводная акустика и обработка сигналов . С. 243–261. doi :10.1007/978-94-009-8447-9_20. ISBN 978-94-009-8449-3.
  4. ^ Маккейг, Малкольм (1977). Постоянные магниты в теории и практике . США: Wiley. стр. 123. ISBN 0-7273-1604-4.
  5. ^ Sigel, Astrid; Helmut Sigel (2003). Лантаноиды и их взаимосвязи с биосистемами . США: CRC Press. стр. v. ISBN 0-8247-4245-1.
  6. ↑ Уолш, Брайан (13 марта 2012 г.). «Рвутся в бой: США в ссоре с Китаем из-за экспорта редкоземельных металлов». Журнал Time . Получено 13 ноября 2017 г.
  7. ^ Чу, Стивен (2011). Стратегия критических материалов. Diane Publishing. С. 96–98. ISBN 978-1437944181. Китайские редкоземельные магниты.
  8. ^ ab "Research Funding for Rare Earth Free Permanent Magnets". ARPA-E. Архивировано из оригинала 10 октября 2013 г. Получено 23 апреля 2013 г.
  9. ^ Введение в магниты и магнитные материалы, Дэвид Джайлс, Ames Laboratrories, US DoE, 1991
  10. ^ Бейхнер и Сервэй. Физика для ученых и инженеров с современной физикой. 5-е изд. Орландо: Saunders College, 2000: 963
  11. ^ Температура Кюри. Энциклопедия науки и технологий Макгроу-Хилла. 8-е изд. 20 томов. NP: Макгроу-Хилл, 1997
  12. ^ Холл, Х. Э. и Хук Дж. Р. Физика твердого тела. 2-е изд. Чичестер: John Wiley & Sons Ltd, 1991: 226.
  13. ^ Марчио, Кэти (9 апреля 2024 г.). «Все, что вам нужно знать о редкоземельных магнитах». Stanford Magnets . Получено 7 сентября 2024 г.
  14. ^ Тевари, Амит; Шарма, Риту (2023). «Магнитная гипертермическая терапия рака с использованием наночастиц на основе редкоземельных металлов: исследование гипертермических свойств манганита лантана и стронция». Результаты в Engineering . 20 . doi : 10.1016/j.rineng.2023.101537 .
  15. ^ Приич, Сара; Серса, Грегор (2011). «Магнитные наночастицы как системы целевой доставки в онкологии». Radiol Oncol . 45 (1): 1–16. doi : 10.2478/v10019-011-0001-z . PMC 3423716. PMID  22933928 . 
  16. ^ Свейн, Фрэнк (6 марта 2009 г.). «Как удалить палец с помощью двух супермагнитов». The Sciencepunk Blog . Seed Media Group LLC . Получено 01.11.2017 .
  17. ^ abcd «Количество детей, проглатывающих опасные магниты, резко возросло, поскольку отрасль в значительной степени контролирует себя». The Washington Post . 2019-12-26. Архивировано из оригинала 2023-06-11.
  18. ^ "Предупреждение о безопасности магнита" (PDF) . Комиссия по безопасности потребительских товаров США . Получено 20 июля 2014 г. .
  19. ↑ Ребенку сделали операцию на кишечнике после того, как он проглотил магнитные шарики, Hamilton Spectator, 13 марта 2013 г.
  20. ^ Врачи предупреждают, что маленькие дети могут проглотить магниты и серьезно повредить кишечник. Global News Toronto, 12 марта 2013 г.
  21. ^ Брукс, Леонард Дж.; Данн, Пол (31 марта 2009 г.). «Магнитные игрушки могут навредить». Деловая и профессиональная этика для директоров, руководителей и бухгалтеров (пятое изд.). South-Western College Pub. стр. 33. ISBN 978-0-324-59455-3. Получено 23 июля 2010 г. .
  22. ^ "Предупреждение о безопасности CPSC – проглоченные магниты могут вызвать серьезные кишечные травмы" (PDF) . Комиссия по безопасности потребительских товаров США . Архивировано из оригинала (PDF) 3 марта 2012 г. . Получено 23 июля 2010 г. Комиссия по безопасности потребительских товаров США (CPSC) знает по меньшей мере о 33 случаях получения детьми травм в результате проглатывания магнитов. 20-месячный ребенок умер, и по меньшей мере 19 другим детям в возрасте от 10 месяцев до 11 лет потребовалась операция по удалению проглоченных магнитов.
  23. ↑ Федералы подали иск против Buckyballs, розничные торговцы запретили продукцию, USA Today, 26 июля 2012 г.
  24. ^ "CPSC Recall Snapshot" (PDF) . Alston & Bird. Декабрь 2016 г. Архивировано из оригинала (PDF) 2016-12-30 . Получено 2016-12-29 .
  25. ^ Мартин, Эндрю (16 августа 2012 г.). «Для игрушек Buckyballs безопасность детей становится все более серьезной проблемой». The New York Times .
  26. ^ Наборы мощных магнитов Buckyballs® отозваны компанией Maxfield and Oberton из-за нарушения Федерального стандарта игрушек, Комиссия по безопасности потребительских товаров, 27 мая 2010 г.
  27. ^ Ахмари, Сохраб (30 августа 2013 г.). «Крейг Цукер: Что происходит, когда человек бросает вызов федералам». Wall Street Journal . Получено 1 сентября 2013 г.
  28. ^ Соблюдение правил безопасности при использовании бакиболов, Максфилд и Обертон.
  29. ^ "Стандарт безопасности для магнитных наборов-окончательное правило" (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 28 мая 2015 г. . Получено 10 сентября 2014 г. .
  30. ^ "CPSC предупреждает, что мощные магниты и дети создают смертельную смесь" . Получено 15 июля 2014 г.
  31. ↑ Бакиболы дают отпор, The Washington Post, 2 августа 2012 г.
  32. ^ "Джиллибранд призывает федералов запретить продажу опасных мощных игрушечных магнитов". Кирстен Джиллибранд . 19 июня 2012 г. Архивировано из оригинала 12 декабря 2012 г.
  33. ^ "CPSC подала в суд на Maxfield & Oberton из-за опасного бакибола". Архивировано из оригинала 5 августа 2012 г. Получено 18 февраля 2013 г.
  34. ^ "CPSC Sues Zen Magnets". Архивировано из оригинала 28 октября 2012 г. Получено 18 февраля 2013 г.
  35. ^ "Федеральное агентство нацелилось на компанию по производству магнитов в Денвере без истории травм". Архивировано из оригинала 24 октября 2012 г. Получено 31 октября 2012 г.
  36. ↑ Беллини, Джарретт (2 ноября 2012 г.). «Прощай, Бакиболы». CNN .
  37. ^ "Мнение апелляционного суда 10-го округа, Zen Magnets против CPSC" (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 12 декабря 2016 г. . Получено 10 января 2017 г. .
  38. ^ "Recall Lawsuits: Adjudicative Proceedings". Комиссия по безопасности потребительских товаров США . Получено 16 июня 2016 г.
  39. ^ "Обновление от 29.03.16: Ого. Мы победили | Zen Magnets". zenmagnets.com . Архивировано из оригинала 6 июня 2016 г. Получено 16 июня 2016 г.
  40. ^ "Мнение апелляционного суда 10-го округа, Zen Magnets против CPSC" (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 12 декабря 2016 г. . Получено 10 января 2017 г. .
  41. ^ «Как попытка одного человека спасти свои магниты превратилась в масштабную нормативную битву». HuffPost . 21 августа 2017 г.
  42. ^ Ривз, Патрик Т.; Рудольф, Брайан; Нилунд, Кейд М. (2020). «Проглатывание магнитов у детей, поступивших в отделения неотложной помощи в Соединенных Штатах в 2009–2019 годах: проблема в движении». Журнал детской гастроэнтерологии и питания . 71 (6): 699–703. doi : 10.1097/MPG.00000000000002955. PMID  32969961. S2CID  221885548.
  43. ^ 30. ^Пакет информационных материалов для персонала в ответ на петицию CP 17-1, с просьбой о принятии правил относительно наборов магнитов. https://www.cpsc.gov/s3fs-public/Informational%20Briefing%20Package%20Regarding%20Magnet%20Sets.pdf?FKVcZpHmPKWCZNb7JEl6Ir0a31WV72PI
  44. ^ «Количество детей, проглатывающих опасные магниты, резко возросло, поскольку отрасль в значительной степени контролирует себя». The Washington Post . 2019-12-26. Архивировано из оригинала 2023-06-11.
  45. ^ «CPSC выносит решение по поводу Zen Magnets».
  46. ^ "Магнитная безопасность". 15 ноября 2010 г.
  47. ^ «Временный запрет на новые товары с маленькими магнитами». Правительство Нового Южного Уэльса – Справедливая торговля. 23 августа 2012 г. Архивировано из оригинала 19 февраля 2013 г. Получено 6 января 2013 г. Г -н Робертс сказал, что магниты из новых товаров и игрушек для руководителей проглатывались маленькими детьми, в то время как некоторые дети постарше и подростки проглатывали магниты, используя их в качестве имитации пирсинга языка или губы.
  48. ^ "VIC: Обновление: Постоянный запрет на небольшие, мощные магниты". Product Safety Australia. 15 ноября 2012 г.
  49. ^ «Запрет на продажу мощных магнитных наборов». Правительство Новой Зеландии, 23 января 2013 г.
  50. ^ "Проект DEMETER". etn-demeter.eu .
  51. ^ "Проект REE-CYCLE". cordis.europa.eu .

Дальнейшее чтение

Внешние ссылки