Neodymmagnet - Neodymium magnet

Nikkelbelagt neodymmagnet på en brakett fra en harddisk
Nikkelbelagte neodymmagnetterninger
Venstre: høyoppløselig transmisjonselektronmikroskopi av Nd 2 Fe 14 B; til høyre: krystallstruktur med enhetscelle merket

En neodymmagnet (også kjent som NdFeB , NIB eller Neo magnet) er den mest brukte typen sjeldne jordarter . Det er en permanent magnet laget av en legering av neodym , jern og bor for å danne Nd 2 Fe 14 B tetragonal krystallinsk struktur. Neodymmagneter ble utviklet uavhengig i 1984 av General Motors og Sumitomo Special Metals , og er den sterkeste typen permanentmagnet som er tilgjengelig kommersielt. På grunn av forskjellige produksjonsprosesser er de delt inn i to underkategorier, nemlig sintrede NdFeB -magneter og limte NdFeB -magneter. De har erstattet andre typer magneter i mange applikasjoner i moderne produkter som krever sterke permanente magneter, for eksempel elektriske motorer i trådløse verktøy, harddiskstasjoner og magnetiske fester.

Historie

General Motors (GM) og Sumitomo Special Metals oppdaget uavhengig Nd 2 Fe 14 B -forbindelsen nesten samtidig i 1984. Forskningen ble opprinnelig drevet av de høye råvarekostnadene for permanente SmCo -magneter, som hadde blitt utviklet tidligere. GM fokuserte på utviklingen av smeltespunnede nanokrystallinske Nd 2 Fe 14 B magneter, mens Sumitomo utviklet sintrede Nd 2 Fe 14 B magneter med full tetthet . GM kommersialiserte oppfinnelsene av isotropisk Neo -pulver, limte neomagneter og de relaterte produksjonsprosessene ved å grunnlegge Magnequench i 1986 (Magnequench har siden blitt en del av Neo Materials Technology, Inc., som senere fusjonerte til Molycorp ). Selskapet leverte smeltespunnet Nd 2 Fe 14 B pulver til limte magnetprodusenter. Den Sumitomo Anlegget ble en del av Hitachi Corporation og er produsert, men også lisensiert andre selskaper for å fremstille sintrede Nd 2 Fe 14 B magneter. Hitachi har inneholdt mer enn 600 patenter som dekker neodymmagneter.

Kinesiske produsenter har blitt en dominerende kraft i neodymmagnetproduksjon, basert på deres kontroll over mye av verdens sjeldne jordminer.

Det amerikanske energidepartementet har identifisert et behov for å finne erstatninger for sjeldne jordmetaller i permanentmagnetteknologi og har finansiert slik forskning. Den Advanced Research Projects Agency-Energy har sponset en Rare Earth Alternatives i kritiske teknologier (REACT) program, for å utvikle alternative materialer. I 2011 tildelte ARPA-E 31,6 millioner dollar for å finansiere Rare-Earth Substitute-prosjekter. På grunn av sin rolle i permanente magneter som brukes til vindturbiner , har det blitt hevdet at neodym vil være et av hovedformålene med geopolitisk konkurranse i en verden som går på fornybar energi . Men dette perspektivet har blitt kritisert for ikke å innse at de fleste vindturbiner ikke bruker permanente magneter og for å undervurdere kraften til økonomiske insentiver for utvidet produksjon.

Sammensetning

Neodym er et metall som magnetisk bestiller bare under 19 K (−254,2 ° C; −425,5 ° F), hvor det utvikler komplekse antiferromagnetiske ordrer. Imidlertid kan forbindelser av neodym med overgangsmetaller som jern bestille ferromagnetisk med Curie -temperaturer godt over romtemperatur, og disse brukes til å lage neodymmagneter.

Styrken til neodymmagneter er et resultat av flere faktorer. Det viktigste er at den tetragonale Nd 2 Fe 14 B krystallstrukturen har eksepsjonelt høy enaksial magnetokrystallinsk anisotropi ( H A ≈ 7 T - magnetfeltstyrke H i enheter av A/m kontra magnetisk moment i A · m 2 ). Dette betyr at en krystall av materialet fortrinnsvis magnetiseres langs en bestemt krystallakse, men er svært vanskelig å magnetisere i andre retninger. Som andre magneter består neodymmagnetlegeringen av mikrokrystallinske korn som er innrettet i et kraftig magnetfelt under produksjonen, slik at deres magnetiske akser alle peker i samme retning. Krystallgitterets motstand mot å snu magnetiseringsretningen gir forbindelsen en meget høy koercivitet , eller motstand mot å bli demagnetisert.  

Neodymiumatomet kan ha et stort magnetisk dipolmoment fordi det har 4 uparede elektroner i elektronstrukturen i motsetning til (i gjennomsnitt) 3 i jern. I en magnet er det uparede elektroner, justert slik at spinnet deres er i samme retning, som genererer magnetfeltet. Dette gir Nd 2 Fe 14 B -forbindelsen en høy metningsmagnetisering ( J s ≈ 1,6 T eller 16 kG ) og en restmagnetisering av typisk 1,3 teslas. Ettersom den maksimale energitettheten er proporsjonal med J s 2 , har denne magnetiske fasen potensial til å lagre store mengder magnetisk energi ( BH maks  ≈ 512 kJ/m 3 eller 64 MG · Oe ). Denne magnetiske energiverdien er omtrent 18 ganger større enn "vanlige" ferritmagneter i volum og 12 ganger i masse. Denne magnetiske energiegenskapen er høyere i NdFeB-legeringer enn i samariumkobolt (SmCo) magneter, som var den første typen sjeldne jordarter som ble kommersialisert. I praksis avhenger de magnetiske egenskapene til neodymmagneter av legeringens sammensetning, mikrostruktur og produksjonsteknikk.     

Nd 2 Fe 14 B-krystallstrukturen kan beskrives som vekslende lag med jernatomer og en neodym-borforbindelse. De diamagnetiske boratomene bidrar ikke direkte til magnetismen, men forbedrer kohesjonen ved sterk kovalent binding. Det relativt lave sjeldne jordinnholdet (12 volumprosent, 26,7 vektprosent) og den relative mengden av neodym og jern sammenlignet med samarium og kobolt gjør neodymmagneter lavere i pris enn samarium-koboltmagneter .

Egenskaper

Neodymmagneter (små sylindere) som løfter stålkuler. Slike magneter kan lett løfte tusenvis av ganger sin egen vekt.
Ferrofluid på en glassplate viser det sterke magnetfeltet til neodymmagneten under.

Karakterer

Neodymmagneter klassifiseres i henhold til deres maksimale energiprodukt , som er relatert til magnetisk fluxutgang per volumenhet. Høyere verdier indikerer sterkere magneter. For sintrede NdFeB -magneter er det en allment anerkjent internasjonal klassifisering. Verdiene deres spenner fra 28 til 52. Den første bokstaven N før verdiene er forkortelse for neodym, som betyr sintrede NdFeB -magneter. Bokstaver som følger verdiene indikerer egen koercivitet og maksimale driftstemperaturer (positivt korrelert med Curie -temperaturen ), som varierer fra standard (opptil 80 ° C eller 176 ° F) til AH (230 ° C eller 446 ° F).

Karakterer av sintrede NdFeB -magneter:

  • N30 - N52
  • N30M - N50M
  • N30H - N50H
  • N30SH - N48SH
  • N30UH - N42UH
  • N28EH - N40EH
  • N28AH - N35AH

Magnetiske egenskaper

Noen viktige egenskaper som brukes til å sammenligne permanente magneter er:

Neodymmagneter har høyere remanens, mye høyere tvangs- og energiprodukt, men ofte lavere Curie -temperatur enn andre typer magneter. Spesielle neodymmagnetlegeringer som inkluderer terbium og dysprosium er utviklet som har høyere Curie -temperatur, slik at de tåler høyere temperaturer. Tabellen nedenfor sammenligner den magnetiske ytelsen til neodymmagneter med andre typer permanente magneter.

Magnet B r
(T) 		H ci
(kA/m) 		BH maks
(kJ/m 3 ) 		T C
(° C) (° F)
Nd 2 Fe 14 B, sintret 1.0–1.4 750–2000 200–440 310–400 590–752
Nd 2 Fe 14 B, bundet 0,6–0,7 600–1200 60–100 310–400 590–752
SmCo 5 , sintret 0,8–1,1 600–2000 120–200 720 1328
Sm (Co, Fe, Cu, Zr) 7 , sintret 0,9–1,15 450–1300 150–240 800 1472
Alnico, sintret 0,6–1,4 275 10–88 700–860 1292–1580
Sr-ferrit, sintret 0,2–0,78 100–300 10–40 450 842

Fysiske og mekaniske egenskaper

Mikrofotografi av NdFeB. De kantete kantene er metallkrystallene, og stripene inni er de magnetiske domenene .
Sammenligning av fysiske egenskaper for sintret neodym og Sm-Co magneter
Eiendom Neodym Sm-Co
Remanens ( T ) 1–1.5 0,8–1,16
Tvang (MA/m) 0,875–2,79 0,493–2,79
Rekylpermeabilitet 1.05 1.05–1.1
Temperatur restkoeffisient (%/K) - (0,12–0,09) - (0,05–0,03)
Temperatur koeffisient for koercivitet (%/K) - (0,65–0,40) - (0.30–0.15)
Curietemperatur (° C) 310–370 700–850
Tetthet (g/cm 3 ) 7.3–7.7 8.2–8.5
Termisk ekspansjonskoeffisient , parallell med magnetisering (1/K) (3–4) × 10 −6 (5–9) × 10 −6
Termisk ekspansjonskoeffisient , vinkelrett på magnetisering (1/K) (1–3) × 10 −6 (10–13) × 10 −6
Bøyestyrke (N/mm 2 ) 200–400 150–180
Trykkfasthet (N/mm 2 ) 1000–1100 800–1000
Strekkfasthet (N/mm 2 ) 80–90 35–40
Vickers hardhet (HV) 500–650 400–650
Elektrisk resistivitet (Ω · cm) (110–170) × 10 −6 (50–90) × 10 −6

Korrosjonsproblemer

Disse neodymmagneter korroderte alvorlig etter fem måneders væreksponering.

Sintret Nd 2 Fe 14 B har en tendens til å være sårbar for korrosjon , spesielt langs korngrensene til en sintret magnet. Denne typen korrosjon kan forårsake alvorlig forverring, inkludert smuldring av en magnet til et pulver av små magnetiske partikler eller spalting av et overflatelag.

Denne sårbarheten behandles i mange kommersielle produkter ved å legge til et beskyttende belegg for å forhindre eksponering for atmosfæren. Nikkelbelegg eller to-lags kobber-nikkelbelegg er standardmetodene, selv om belegg med andre metaller, eller polymer- og lakkbeskyttende belegg, også er i bruk.

Temperatureffekter

Neodym har en negativ koeffisient, noe som betyr at koerciviteten sammen med magnetisk energitetthet ( BH max ) avtar med temperaturen. Neodym-jern-bor-magneter har høy koercivitet ved romtemperatur, men ettersom temperaturen stiger over 100 ° C (212 ° F), reduseres koerciviteten drastisk til Curie-temperaturen (rundt 320 ° C eller 608 ° F). Dette fallet i coercivity begrenser effektiviteten til magneten under høye temperaturforhold som i vindturbiner, hybridmotorer, etc. Dysprosium (Dy) eller terbium (Tb) tilsettes for å dempe nedgangen i ytelse fra temperaturendringer, noe som gjør magneten enda dyrere.

Farer

De større kreftene som utøves av sjeldne jordartsmagneter skaper farer som kanskje ikke oppstår med andre typer magnet. Neodymmagneter større enn noen få kubikkcentimeter er sterke nok til å forårsake skader på kroppsdeler klemt mellom to magneter, eller en magnet og en jernholdig metalloverflate, til og med forårsake ødelagte bein.

Magneter som kommer for nær hverandre kan slå mot hverandre med nok kraft til å sponne og knuse de sprø magneter, og de flygende chipsene kan forårsake forskjellige skader, spesielt øyeskader . Det har til og med vært tilfeller der små barn som har svelget flere magneter, har fått deler av fordøyelseskanalen klemt mellom to magneter og forårsaket skade eller død. Dette kan også være en alvorlig helserisiko hvis du arbeider med maskiner som har magneter i eller festet til dem. De sterkere magnetfeltene kan være farlige for mekaniske og elektroniske enheter, ettersom de kan slette magnetiske medier som diskett og kredittkort og magnetisere klokker og skyggemasker for skjermer av CRT -typen på større avstand enn andre typer magnet. I noen tilfeller kan avskårne magneter fungere som en brannfare når de kommer sammen, og sender gnister som flyr som om de var en lettere flint , fordi noen neodymmagneter inneholder ferroserium .

Produksjon

Det er to hovedmetoder for fremstilling av neodymmagnet:

  • Klassisk pulvermetallurgi eller sintret magnetprosess
    • Sintrede Nd-magneter fremstilles ved at råvarene smeltes i en ovn, støpes i en form og avkjøles for å danne barrer. Stavene pulveriseres og freses; pulveret sintres deretter i tette blokker. Blokkene varmebehandles, kuttes i form, overflatebehandles og magnetiseres.
  • Rask prosess med størkning eller bonded magnet
    • Bondede Nd-magneter fremstilles ved smeltespinn av et tynt bånd av NdFeB-legeringen. Båndet inneholder tilfeldig orienterte Nd 2 Fe 14 B nanoskala korn. Dette båndet blir deretter pulverisert til partikler, blandet med en polymer , og enten komprimert - eller sprøytestøpt i bundne magneter.

I 2015 kunngjorde Nitto Denko Corporation i Japan sin utvikling av en ny metode for sintring av neodymmagnetmateriale. Metoden utnytter en "organisk/uorganisk hybridteknologi" for å danne en leireaktig blanding som kan formes til forskjellige former for sintring. Det viktigste er at det sies å være mulig å kontrollere en ujevn orientering av magnetfeltet i det sintrede materialet for å lokalt konsentrere feltet for å for eksempel forbedre ytelsen til elektriske motorer. Det er planlagt masseproduksjon i 2017.

Fra 2012 produseres 50 000 tonn neodymmagneter offisielt hvert år i Kina, og 80 000 tonn i en "selskap-for-selskap" -oppbygging gjort i 2013. Kina produserer mer enn 95% av sjeldne jordartselementer og produserer rundt 76 % av verdens totale sjeldne jordartsmagneter, så vel som det meste av verdens neodym.   

applikasjoner

Eksisterende magnetapplikasjoner

Ringmagneter
De fleste harddiskstasjoner har sterke magneter
Denne manuelt drevne lommelykten bruker en neodymmagnet for å generere elektrisitet

Neodymmagneter har erstattet alnico- og ferrittmagneter i mange av de mange applikasjonene i moderne teknologi der det kreves sterke permanente magneter, fordi deres større styrke tillater bruk av mindre, lettere magneter for en gitt applikasjon. Noen eksempler er:

  • Elektriske generatorer for vindturbiner (bare de med permanent magnetisk eksitasjon)
  • Stemmespole
  • Avkoblere for detaljhandel i media
  • I prosessindustrier brukes kraftige neodymmagneter for å fange fremmedlegemer og beskytte produkt og prosesser

Nye applikasjoner

Neodymmagnetkuler samlet i form av en terning

Den større styrken til neodymmagneter har inspirert til nye applikasjoner i områder der magneter ikke ble brukt før, for eksempel magnetiske smykkeklemmer, barns magnetiske byggesett (og andre neodymmagneter ) og som en del av lukkemekanismen for moderne sportsskjermutstyr. De er hovedmetallet i de tidligere populære skrivebordsmagnetene, "Buckyballs" og "Buckycubes", selv om noen amerikanske forhandlere har valgt å ikke selge dem på grunn av barns sikkerhet, og de har blitt utestengt i Canada av samme grunn .

Styrken og magnetfelthomogeniteten på neodymmagneter har også åpnet nye applikasjoner innen det medisinske feltet med introduksjonen av åpen magnetisk resonansavbildning (MRI) skannere som brukes til å bilde kroppen i radiologiavdelinger som et alternativ til superledende magneter som bruker en spole med superledende ledning for å produsere magnetfeltet.

Neodymmagneter brukes som et kirurgisk plassert anti-refluks-system som er et bånd av magneter som er kirurgisk implantert rundt den nedre esophageal sfinkteren for å behandle gastroøsofageal reflukssykdom (GERD). De har også blitt implantert i fingertuppene for å gi sensorisk oppfatning av magnetfelt, selv om dette er en eksperimentell prosedyre som bare er populær blant biohackere og kverner .

Se også

Referanser

Videre lesning

Eksterne linker