Неодимовый магнит (также известный как NdFeB , NIB или Neo магнит) — это постоянный магнит, изготовленный из сплава неодима , железа и бора, образующий тетрагональную кристаллическую структуру Nd2Fe14B . [ 1] Это наиболее широко используемый тип редкоземельных магнитов . [2]
Разработанные независимо в 1984 году компанией General Motors и в 1970-х годах компанией Sumitomo Special Metals , [3] [4] [5] неодимовые магниты являются самым сильным типом постоянных магнитов, доступных на рынке. [1] [6] Они заменили другие типы магнитов во многих приложениях в современных продуктах, где требуются сильные постоянные магниты, таких как электродвигатели в беспроводных инструментах, жесткие диски и магнитные застежки.
Магниты NdFeB можно классифицировать как спеченные или склеенные, в зависимости от используемого производственного процесса. [7] [8]
General Motors (GM) и Sumitomo Special Metals независимо друг от друга открыли соединение Nd 2 Fe 14 B почти одновременно в 1984 году. [3] Первоначально исследования были обусловлены высокой стоимостью сырья для постоянных магнитов из самария-кобальта (SmCo), которые были разработаны ранее. GM сосредоточилась на разработке нанокристаллических магнитов Nd 2 Fe 14 B, полученных методом прядения из расплава , в то время как Sumitomo разработала спеченные магниты Nd 2 Fe 14 B полной плотности . [9]
GM коммерциализировала свои изобретения изотропного неопорошка, 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 порошок Nd 2 Fe 14 B , полученный методом расплавления, производителям связанных магнитов. Завод Sumitomo стал частью Hitachi и производил, а также лицензировал другие компании для производства спеченных магнитов Nd 2 Fe 14 B. Hitachi имеет более 600 патентов, охватывающих неодимовые магниты. [9]
Китайские производители стали доминирующей силой в производстве неодимовых магнитов, поскольку они контролируют большую часть мировых месторождений редкоземельных металлов. [10]
Министерство энергетики США выявило необходимость поиска заменителей редкоземельных металлов в технологии постоянных магнитов и профинансировало такие исследования. Агентство перспективных исследовательских проектов в энергетике спонсировало программу «Альтернативы редкоземельным металлам в критических технологиях» (REACT) для разработки альтернативных материалов. В 2011 году ARPA-E выделило 31,6 миллиона долларов на финансирование проектов по заменителям редкоземельных металлов. [11] Из-за своей роли в постоянных магнитах, используемых для ветряных турбин , утверждалось, что неодим станет одним из главных объектов геополитической конкуренции в мире, работающем на возобновляемых источниках энергии . Эта точка зрения подверглась критике за то, что она не признает, что большинство ветряных турбин не используют постоянные магниты, и за недооценку силы экономических стимулов для расширенного 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 , с температурой Кюри значительно выше комнатной температуры. Они используются для изготовления неодимовых магнитов.
Прочность неодимовых магнитов является результатом нескольких факторов. Наиболее важным является то, что тетрагональная кристаллическая структура Nd 2 Fe 14 B имеет исключительно высокую одноосную магнитокристаллическую анизотропию ( H A ≈ 7 Тл – напряженность магнитного поля H в единицах А/м по сравнению с магнитным моментом в А·м 2 ). [13] [3] Это означает, что кристалл материала преимущественно намагничивается вдоль определенной оси кристалла , но его очень трудно намагнитить в других направлениях. Как и другие магниты, сплав неодимовых магнитов состоит из микрокристаллических зерен, которые выровнены в мощном магнитном поле во время изготовления, так что их магнитные оси все указывают в одном направлении. Сопротивление кристаллической решетки повороту направления ее намагничивания придает соединению очень высокую коэрцитивную силу или сопротивление размагничиванию.
Атом неодима может иметь большой магнитный дипольный момент , поскольку в его электронной структуре имеется 4 неспаренных электрона [14] по сравнению с (в среднем) 3 в железе. В магните именно неспаренные электроны, выровненные таким образом, 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, как правило, 1,3 тесла. Следовательно, поскольку максимальная плотность энергии пропорциональна J s 2 , эта магнитная фаза имеет потенциал для хранения больших количеств магнитной энергии ( BH max ≈ 512 кДж/м 3 или 64 МГс·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-кобальта (SmCo) , которые были первым типом редкоземельных магнитов, выпущенных на рынок. На практике магнитные свойства неодимовых магнитов зависят от состава сплава, микроструктуры и используемой технологии производства.
Кристаллическую структуру Nd 2 Fe 14 B можно описать как чередующиеся слои атомов железа и соединения неодима и бора. [3] Диамагнитные атомы бора не вносят прямого вклада в магнетизм, но улучшают сцепление за счет сильной ковалентной связи. [3] Относительно низкое содержание редкоземельных элементов (12% по объему, 26,7% по массе) и относительное обилие неодима и железа по сравнению с самарием и кобальтом делают неодимовые магниты более дешевыми, чем другие основные редкоземельные магниты , самарий-кобальтовые магниты . [3]
Хотя они имеют более высокую остаточную намагниченность и гораздо более высокую коэрцитивную силу и энергетическое произведение, неодимовые магниты 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, включая рассыпание магнита на порошок мелких магнитных частиц или откалывание поверхностного слоя.
Эта уязвимость устраняется во многих коммерческих продуктах путем добавления защитного покрытия для предотвращения воздействия атмосферы. Покрытия никелем, никель-медь-никель и цинком являются стандартными методами, хотя покрытия другими металлами или полимерные и лаковые защитные покрытия также используются. [17]
Неодим имеет отрицательный коэффициент, что означает, что коэрцитивная сила вместе с плотностью магнитной энергии ( BH max ) уменьшаются с ростом температуры. Магниты из неодима-железа-бора имеют высокую коэрцитивную силу при комнатной температуре, но при повышении температуры выше 100 °C (212 °F) коэрцитивная сила резко уменьшается 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 для сдерживания падения производительности из-за изменений температуры. Это добавление делает магниты более дорогими в производстве. [18]
Неодимовые магниты классифицируются в соответствии с их максимальным энергетическим произведением , которое относится к выходу магнитного потока на единицу объема. Более высокие значения указывают на более сильные магниты. Для спеченных магнитов NdFeB существует общепризнанная международная классификация. Их значения варьируются от N28 до N55 с теоретическим максимумом при N64. Первая буква N перед значениями является сокращением от неодима, что означает спеченные магниты NdFeB. Буквы, следующие за значениями, указывают на собственную 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] [ необходимы дополнительные пояснения ] [22] [ ненадежный источник? ] [23]
Существует два основных метода изготовления неодимовых магнитов:
Связанный нео- порошок Nd-Fe-B связывается в матрице термопластичного полимера для формирования магнитов. Материал магнитного сплава формируется путем закалки на водяном охлажденном барабане. Эта металлическая лента измельчается в порошок, а затем подвергается термической обработке для улучшения его коэрцитивной силы . Порошок смешивается с полимером для образования формуемой замазки, похожей на наполненный стеклом полимер . Она гранулируется для хранения и позже может быть сформирована путем литья под давлением . Внешнее магнитное поле применяется во время процесса формования, ориентируя поле готового магнита. [25] [26]
В 2015 году японская компания Nitto Denko объявила о разработке нового метода спекания неодимового магнитного материала. Метод использует «органическую/неорганическую гибридную технологию» для формирования глиноподобной смеси, которой можно придать различные формы для спекания. Говорят, что можно контролировать неравномерную ориентацию магнитного поля в спеченном материале для локальной концентрации поля, например, для улучшения производительности электродвигателей. Массовое производство запланировано на 2017 год. [27] [28] [ требуется обновление ]
По состоянию на 2012 год в Китае официально ежегодно производится 50 000 тонн неодимовых магнитов, а в 2013 году было произведено 80 000 тонн по принципу «от компании к компании». [29] Китай производит более 95% редкоземельных элементов и производит около 76% от общего количества редкоземельных магнитов в мире, а также большую часть неодима в мире. [30] [9]
Неодимовые магниты заменили алнико и ферритовые магниты во многих бесчисленных приложениях в современной технологии, где требуются сильные постоянные магниты, поскольку их большая сила позволяет использовать меньшие, более легкие магниты для данного приложения. Вот несколько примеров:
Большая сила неодимовых магнитов вдохновила на новые применения в областях, где магниты раньше не использовались, таких как магнитные застежки для ювелирных изделий, поддержание фольгированной изоляции, детские магнитные строительные наборы (и другие игрушки с неодимовыми магнитами ) и как часть запирающего механизма современного спортивного парашютного оборудования. [33] Они являются основным металлом в ранее популярных настольных игрушечных магнитах «Buckyballs» и «Buckycubes», хотя некоторые розничные торговцы в США решили не продавать их из-за проблем с безопасностью для детей, [34] и они были запрещены в Канаде по той же причине. [35] Хотя аналогичный запрет был снят в Соединенных Штатах в 2016 году, минимальный возрастной предел, рекомендованный CPSC, теперь составляет 14 лет, и теперь существуют новые требования к предупреждающим этикеткам. [36]
Сила и однородность магнитного поля неодимовых магнитов также открыли новые возможности применения в области медицины с появлением открытых магнитно-резонансных томографов (МРТ), используемых для получения изображений тела в радиологических отделениях в качестве альтернативы сверхпроводящим магнитам, которые используют катушку сверхпроводящего провода для создания магнитного поля. [37]
Неодимовые магниты используются в качестве хирургически устанавливаемой антирефлюксной системы, которая представляет собой полосу магнитов [38], хирургически имплантированную вокруг нижнего пищеводного сфинктера для лечения гастроэзофагеальной рефлюксной болезни (ГЭРБ). [39] Их также имплантировали в кончики пальцев, чтобы обеспечить сенсорное восприятие магнитных полей, [40] хотя это экспериментальная процедура, популярная только среди биохакеров и гриндеров . [41]
Неодим используется в качестве магнитного крана, который представляет собой подъемное устройство, поднимающее предметы с помощью магнитной силы . [42] Эти краны поднимают черные металлы, такие как стальные пластины, трубы и металлолом, используя постоянное магнитное поле постоянных магнитов, не требуя при этом постоянного источника питания. [43] Магнитные краны используются на складах металлолома, верфях , складах и производственных предприятиях . [44]
Большие силы, оказываемые редкоземельными магнитами, создают опасности, которые могут не возникнуть с другими типами магнитов. Неодимовые магниты размером более нескольких кубических сантиметров достаточно сильны, чтобы вызвать травмы частей тела, зажатых между двумя магнитами или магнитом и поверхностью из черного металла, и даже привести к переломам костей. [45]
Магниты, которые оказываются слишком близко друг к другу, могут ударить друг друга с достаточной силой, чтобы расколоть и разбить хрупкие магниты, а летящие осколки могут вызвать различные травмы, особенно травмы глаз . Были даже случаи, когда у маленьких детей, проглотивших несколько магнитов, части пищеварительного тракта были зажаты между двумя магнитами, что привело к травме или смерти. [46] Также это может быть серьезным риском для здоровья, если работаешь с машинами, в которых есть магниты или которые к ним прикреплены. [47]
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 другие типы магнитов. В некоторых случаях сколотые магниты могут стать причиной пожара, когда они соединяются вместе, высекая искры, как если бы они были более легким кремнем , поскольку некоторые неодимовые магниты содержат ферроцерий .