Історія рідкоземельних постійних магнітів для двигунів

Рідкоземельні елементи (рідкоземельні постійні магніти) є 17 металевими елементами в середині періодичної системи (атомні номери 21, 39 і 57-71), які мають незвичайні флуоресцентні, провідні та магнітні властивості, що роблять їх несумісними з більш поширеними металами, такими як залізо) дуже корисно, коли сплавлені або змішані в невеликих кількостях. Геологічно кажучи, рідкоземельні елементи не є особливою рідкістю. Поклади цих металів знаходяться в багатьох частинах світу, і деякі елементи присутні приблизно в такій же кількості, як мідь або олово. Однак рідкоземельні елементи ніколи не були знайдені у дуже високих концентраціях і часто змішуються один з одним або з радіоактивними елементами, такими як уран. Хімічні властивості рідкоземельних елементів ускладнюють відокремлення від оточуючих матеріалів, і ці властивості також ускладнюють їх очищення. Сучасні методи виробництва вимагають великої кількості руди та створюють велику кількість небезпечних відходів для вилучення лише невеликих кількостей рідкоземельних металів, з відходами методів обробки, включаючи радіоактивну воду, токсичний фтор і кислоти.

Найпершими постійними магнітами, які були виявлені, були мінерали, які створювали стабільне магнітне поле. До початку 19 століття магніти були крихкими, нестабільними і виготовлялися з вуглецевої сталі. У 1917 році в Японії була відкрита кобальтова магнітна сталь, яка була вдосконалена. Ефективність постійних магнітів продовжувала покращуватися з моменту їх відкриття. Для Alnicos (сплави Al/Ni/Co) у 1930-х роках ця еволюція проявилася в максимальній кількості збільшеного енергетичного продукту (BH)max, що значно покращило коефіцієнт якості постійних магнітів, і для заданого об’єму магнітів Максимальна щільність енергії може бути перетворена в потужність, яку можна використовувати в машинах за допомогою магнітів.

Перший феритовий магніт був випадково виявлений у 1950 році у фізичній лабораторії Philips Industrial Research у Нідерландах. Асистент синтезував його помилково - він мав підготувати інший зразок для вивчення як напівпровідниковий матеріал. Виявилося, що він справді магнітний, тому його передали дослідницькій групі. Завдяки хорошим характеристикам як магніту та нижчій собівартості виробництва. Таким чином, саме продукт, розроблений Philips, поклав початок швидкому зростанню використання постійних магнітів.

У 1960-х роках перші рідкоземельні магніти(рідкоземельні постійні магніти)були виготовлені зі сплавів елемента лантаноїду ітрію. Вони є найсильнішими постійними магнітами з високою намагніченістю насичення та хорошою стійкістю до розмагнічування. Незважаючи на те, що вони дорогі, крихкі та неефективні при високих температурах, вони починають домінувати на ринку, оскільки їх застосування стає все більш актуальним. Володіння персональними комп’ютерами стало широко поширеним у 1980-х роках, що означало великий попит на постійні магніти для жорстких дисків.

Такі сплави, як самарій-кобальт, були розроблені в середині 1960-х років з першим поколінням перехідних металів і рідкісноземельних елементів, а наприкінці 1970-х років ціна на кобальт різко зросла через нестабільні поставки в Конго. У той час найвищий постійний магніт із самарію та кобальту (BH)max був найвищим, і дослідницьке співтовариство було змушене замінити ці магніти. Через кілька років, у 1984 році, Сагава та ін. вперше запропонували розробку постійних магнітів на основі Nd-Fe-B. Використання технології порошкової металургії в Sumitomo Special Metals, використання процесу прядіння з розплаву від General Motors. Як показано на малюнку нижче, (BH)max покращився протягом майже століття, починаючи з ≈1 MGOe для сталі та досягаючи приблизно 56 MGOe для магнітів NdFeB за останні 20 років.

Стійкість у промислових процесах нещодавно стала пріоритетом, і рідкоземельні елементи, які були визнані країнами як ключова сировина через їх високий ризик поставок і економічну важливість, відкрили області для дослідження нових постійних магнітів без рідкоземельних елементів. Одним із можливих напрямків дослідження є перегляд найдавніших постійних магнітів, феритових магнітів, і подальше їх вивчення за допомогою всіх нових інструментів і методів, доступних за останні десятиліття. Кілька організацій зараз працюють над новими дослідницькими проектами, які сподіваються замінити рідкоземельні магніти екологічнішими та ефективнішими альтернативами.