Неодимовый магнит. история изобретения. где используются?

Приложения

Существующие магнитные приложения

Кольцевые магниты

Большинство жестких дисков имеют сильные магниты.

В этом фонарике с ручным приводом используется неодимовый магнит для выработки электроэнергии.

Неодимовые магниты заменили альнико- ферритовые магниты во многих бесчисленных применениях современной технологии, где требуются сильные постоянные магниты, потому что их большая сила позволяет использовать меньшие и более легкие магниты для данного приложения. Вот несколько примеров:

  • Приводы головок для жестких дисков компьютеров
  • Механические переключатели зажигания электронных сигарет
  • Замки для дверей
  • Громкоговорители и наушники
  • Магнитные подшипники и муфты
  • Настольные ЯМР-спектрометры
  • Электродвигатели : (Использование неодимовых магнитов в электродвигателях может снизить их энергопотребление вдвое.)
    • Аккумуляторные инструменты
    • Серводвигатели
    • Подъемные и компрессорные двигатели
    • Синхронные двигатели
    • Шпиндельные и шаговые двигатели
    • Электроусилитель руля
    • Приводные двигатели для гибридных и электромобилей . Для электродвигателей каждой Toyota Prius требуется один килограмм (2,2 фунта) неодима.
    • Приводы
  • Электрогенераторы для ветряных турбин (только с возбуждением от постоянных магнитов)
  • Звуковая катушка
  • Разъединители для корпусов устройств розничной торговли
  • В обрабатывающей промышленности мощные неодимовые магниты используются для улавливания инородных тел и защиты продукции и процессов.

Новые приложения

Сферы из неодимового магнита в форме куба

Большая сила неодимовых магнитов вдохновила на новые применения в областях, где магниты раньше не использовались, таких как магнитные ювелирные застежки, детские магнитные конструкторы (и другие игрушки с неодимовыми магнитами ), а также в качестве части механизма закрытия современного спортивного парашютного оборудования. Они являются основным металлом в ранее популярных магнитах для настольных игрушек «Buckyballs» и «Buckycubes», хотя некоторые розничные продавцы США решили не продавать их из соображений безопасности детей, и они были запрещены в Канаде по той же причине. .

Однородность напряженности и магнитного поля на неодимовых магнитах также открыла новые возможности в области медицины с появлением сканеров открытой магнитно-резонансной томографии (МРТ), используемых для визуализации тела в радиологических отделениях в качестве альтернативы сверхпроводящим магнитам, в которых используется катушка из сверхпроводящего материала. проволока для создания магнитного поля.

Неодимовые магниты используются в качестве хирургически устанавливаемой антирефлюксной системы, которая представляет собой группу магнитов, хирургически имплантированных вокруг нижнего сфинктера пищевода для лечения гастроэзофагеальной рефлюксной болезни (ГЭРБ). Их также имплантировали в кончики пальцев , чтобы обеспечить сенсорное восприятие магнитных полей, хотя это экспериментальная процедура, популярная только среди биохакеров и гриндеров .

Что это такое

Неодимовым магнитом является магнитный элемент, который состоит из неодимового редкоземельного борного и железного материала. Обладает кристаллической структурой, тетрагональной формой и формулой Nd2Fe14B.

Неодимовый магнит как самый распространенный вид

Впервые был создан организацией General Motors в 1982 году. Является самым сильным постоянным магнитным элементом, величина мощности которого в несколько раз больше обычного. Оснащен большой магнитной индукцией в 12 400 гаусс.

Обратите внимание! Это хрупкий сплав, имеющий формулу NdFeB, а также жесткий никелированный защитный слой и соответствующий класс. Пользуется большой популярностью и выпускается в разной форме

Полное определение материала

Свойства

Неодимовые магниты (маленькие цилиндры) поднимают стальные сферы. Такие магниты могут легко поднимать вес, в тысячи раз превышающий их собственный.

Феррожидкость на стеклянной пластине показывает сильное магнитное поле неодимового магнита под ней.

Оценки

Неодимовые магниты классифицируются в соответствии с их максимальным энергетическим произведением , которое относится к выходному магнитному потоку на единицу объема. Более высокие значения указывают на более сильные магниты. Для спеченных магнитов NdFeB существует широко признанная международная классификация. Их значения варьируются от 28 до 52. Первая буква N перед значениями является сокращением от неодима, что означает спеченные магниты NdFeB. Буквы, следующие за значениями, указывают на внутреннюю коэрцитивную силу и максимальные рабочие температуры (положительно коррелированные с температурой Кюри ), которые варьируются от значений по умолчанию (до 80 ° C или 176 ° F) до AH (230 ° C или 446 ° F).

Марки спеченных магнитов NdFeB:

  • N30 — N52
  • Н30М — Н50М
  • N30H — N50H
  • Н30Ш — Н48Ш
  • N30UH — N42UH
  • N28EH — N40EH
  • N28AH — N35AH

Магнитные свойства

Некоторые важные свойства, используемые для сравнения постоянных магнитов:

  • Remanence ( B r ) , который измеряет силу магнитного поля.
  • Коэрцитивная сила ( H ci ) , сопротивление материала размагничиванию.
  • (Максимум) Энергетический продукт ( BH max ) , плотность магнитной энергии, характеризующаяся максимальным значением плотности магнитного потока (B), умноженной на напряженность магнитного поля (H).
  • Температура Кюри ( T C ) , температура, при которой материал теряет свой магнетизм.

Неодимовые магниты имеют более высокую остаточную намагниченность, гораздо более высокую коэрцитивную силу и произведение энергии, но часто более низкую температуру Кюри, чем другие типы магнитов. Были разработаны специальные неодимовые магнитные сплавы, включающие тербий и диспрозий , которые имеют более высокую температуру Кюри, что позволяет им выдерживать более высокие температуры. В таблице ниже сравниваются магнитные характеристики неодимовых магнитов с другими типами постоянных магнитов.

МагнитB r (T)H ci (кА / м)BH макс (кДж / м 3 )Т С
(° C)(° F)
Nd 2 Fe 14 B, спеченный1,0–1,4750–2000200–440310–400590–752
Nd 2 Fe 14 B, связанный0,6–0,7600–120060–100310–400590–752
SmCo 5 , спеченный0,8–1,1600–2000120–2007201328
Sm (Co, Fe, Cu, Zr) 7 , спеченный0,9–1,15450–1300150–2408001472
Алнико, спеченный0,6–1,427510–88700–8601292–1580
Sr-феррит, спеченный0,2–0,78100–30010–40450842

Физико-механические свойства

Микрофотография NdFeB, показывающая границы магнитных доменов

Сравнение физических свойств спеченных неодимовых и Sm-Co магнитов
СвойствоНеодимSm-Co
Remanence ( T )1–1,50,8–1,16
Коэрцитивность (МА / м)0,875–2,790,493–2,79
Относительная проницаемость1.051,05–1,1
Температурный коэффициент остаточной намагниченности (% / K)— (0,12–0,09)— (0,05–0,03)
Температурный коэффициент коэрцитивной силы (% / K)— (0,65–0,40)— (0,30–0,15)
Температура Кюри (° C)310–370700–850
Плотность (г / см 3 )7,3–7,78,2–8,5
Коэффициент теплового расширения параллельно намагничиванию (1 / K)(3–4) × 10 −6(5–9) × 10 −6
Коэффициент теплового расширения , перпендикулярный намагниченности (1 / K)(1–3) × 10 −6(10–13) × 10 −6
Прочность на изгиб (Н / мм 2 )200–400150–180
Прочность на сжатие (Н / мм 2 )1000–1100800–1000
Предел прочности на разрыв (Н / мм 2 )80–9035–40
Твердость по Виккерсу (HV)500–650400–650
Удельное электрическое сопротивление (Ом · см)(110–170) × 10 −6(50–90) × 10 −6

Опасности

Большие силы, проявляемые редкоземельными магнитами, создают опасности, которые могут не возникать с другими типами магнитов. Неодимовые магниты размером более нескольких кубических сантиметров достаточно сильны, чтобы причинить травмы частям тела, зажатым между двумя магнитами или магнитом и поверхностью черного металла, и даже вызвать переломы костей.

Магниты, которые подходят слишком близко друг к другу, могут удариться друг о друга с достаточной силой, чтобы сломать и разбить хрупкие магниты, а летящие стружки могут вызвать различные травмы, особенно травмы глаз . Были даже случаи, когда маленькие дети, проглотившие несколько магнитов, зажимали участки пищеварительного тракта между двумя магнитами, что приводило к травмам или смерти. Кроме того, это может быть серьезным риском для здоровья при работе с машинами, которые имеют магниты или прикреплены к ним. 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 из ЭЛТ — мониторов типа на большем расстоянии , чем другие типы магнита. В некоторых случаях сколотые магниты могут создавать опасность возгорания, поскольку они собираются вместе, посылая искры, летящие, как если бы это был более легкий кремень , потому что некоторые неодимовые магниты содержат ферроцерий .

История

General Motors (GM) и Sumitomo Special Metals независимо друг от друга открыли соединение Nd 2 Fe 14 B в 1984 году. Исследование было первоначально вызвано высокой стоимостью сырья для постоянных магнитов SmCo , которые были разработаны ранее. GM сосредоточилась на разработке формованных из расплава нанокристаллических магнитов Nd 2 Fe 14 B, в то время как Sumitomo разработала спеченные магниты полной плотности из Nd 2 Fe 14 B. GM коммерциализировала свои изобретения изотропного порошка Neo, 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 формованный из расплава порошок Nd 2 Fe 14 B производителям магнитов. Завод Sumitomo стал частью Hitachi Corporation и производил, но также выдавал лицензии другим компаниям на производство спеченных магнитов Nd 2 Fe 14 B. Hitachi владеет более 600 патентами на неодимовые магниты.

Китайские производители стали доминирующей силой в производстве неодимовых магнитов, благодаря их контролю над большей частью мировых источников редкоземельных рудников.

США Министерство энергетики определила необходимость поиска заменителей для редкоземельных металлов в постоянной технологии магнита и финансировал такие исследования. Advanced Research Projects Agency-Energy спонсировал редкоземельные Альтернативы в критических технологиях (РЕАКТ) программы, разработка альтернативных материалов. В 2011 году ARPA-E выделило 31,6 миллиона долларов на финансирование проектов по замене редкоземельных элементов. Из-за его роли в постоянных магнитах, используемых для ветряных турбин , было высказано мнение, что неодим станет одним из основных объектов геополитической конкуренции в мире, работающем на возобновляемых источниках энергии . Но эта точка зрения подвергалась критике за непризнание того, что большинство ветряных турбин не используют постоянные магниты, и за недооценку силы экономических стимулов для расширения производства.

Преимущества

Самый распространенный неодимовый магнит — тот, который имеет сплав железного оксида, обладающий хорошей термостойкостью, высокой магнитной проницаемостью и низкой себестоимостью. Оснащен цветовой маркировкой, высокой коэрцитивной силой, мощным магнитным полем, удерживающим предметы на весу, компактным размером, малым весом, доступностью и широкой областью применения. Имеет большой срок службы.

Если обычный магнит работает на протяжении 10 лет и может размагничиваться, то неодимовый через 100 лет не утрачивает свои свойства. Еще одно преимущество заключается в форме. Подобное изделие обладает формой подковы. Она дает большой срок службы прибору. Что касается стоимости, это — дорогие изделия, однако стоимость оправдывается с помощью превосходных эксплуатационных качеств и безупречной надежности.

Долговечность работы как одно из преимуществ

Сила

Стоит указать, что сила, заключенная в неодимовых магнитах, еще одно их преимущество. Она высокая и найти конкурентную ей нереально. Это рекордный вид показателя, повышение которого невозможно. Сила образуется при изготовлении. Намагничивание происходит после формирование сплава. Благодаря существующим технологиям намагничивается сплав таким образом, что магнит имеет невероятно высокую мощность и этот показатель достигает рекорда.

Обратите внимание! Мощность — относительное обывательское понятие. Сила стабильная, но измеряется она при помощи приборов

При этом показания зависят от того, какая толщина у поверхности и чистота. Некоторое влияние способен оказывать угол отрыва.

Сила как одно из преимуществ

Срок службы

Срок работы оборудование, если будет надлежащее использование, равен 30 лет

Из-за неосторожного обращения, прибор может быть испорчен. Дело в отсутствии гибкости, а также в ломкости и потрескивании в момент большой нагрузки

Из-за падения, удара или снижения сцепных свойств снижается срок службы оборудования. По этой причине необходимо избежание падений с использованием соприкасающихся в движениях деталей.

Еще одним крайне важным моментом является безвозвратная потеря магнитных свойств из-за нагревания. Поэтому шлифовка с резкой или сверлением снижает цепную силу и может возгораться сплав. Если же хранение с эксплуатацией организовано правильно, то намагниченность сохраняется на протяжении 10 лет.

Продолжительный срок службы

Сфера и способы применения устройств в быту и не только

Благодаря особой мощности, изобретение американских ученых с каждым днем все больше вытесняет с рынка привычные для многих ферросплавы.

Сверхмощные комочки сложного состава востребованы во многих сферах, в частности, их используют при:

  • производстве компьютерной техники бытового, промышленного и медицинского уровня;
  • изготовлении игрушек;
  • уборке промышленных помещений от металлической стружки;
  • выпуске бытовой техники.

Сила притяжения сплава позволяет искать и поднимать металлические предметы из глубоких ям и труднодоступных мест. Благодаря высокой мощности магнита, маленький кусочек комбинированного металла можно легко переместить в отдаленные уголки и при этом собрать максимальное количество мелких предметов, которые вряд ли получилось объединить обычным ферритом.

В быту неодимовые магниты применяют в самых неожиданных местах, например, в приборах для мытья стекол и на приусадебных участках. Кроме того, мощными устройствами намагничивают металлические планки для крепления кухонной утвари, полочек и подставок.

Автолюбители при помощи «сверхметалла» умудряются удалять вмятинки на корпусе машин.

В народной медицине супермощный сплав используют для изготовления лечебных украшений, способных нормализовать кровяное давление и изменять ауру человека.

Конструкция

Отвечая на вопрос, из чего сделан неодимовый магнит, можно указать, что это редкоземельный элемент, который содержит атом с лантанидом или актинидом. В классическом составе может еще находится присадка. Она используется, чтобы увеличить силу с выносливостью и стойкостью к большим температурам. Бор используется в малом количестве, железо — связующий элемент. Благодаря такому составу получается большая сцепная сила. При соединении нескольких ферритовых колец, можно руками разъединить их. Что же касается неодимовых магнитов, этого сделать нельзя.

Состав магнитного материала

Производство

Существует два основных метода производства неодимовых магнитов:

  • Классическая порошковая металлургия или процесс спеченного

    Спеченные неодимовые магниты получают путем плавления сырья в печи, заливки в форму и охлаждения для формирования слитков. Слитки измельчаются и размалываются; затем порошок спекается в плотные блоки. Затем блоки подвергаются термообработке, нарезке по форме, поверхностной обработке и намагничиванию.

    магнита

  • Быстрое затвердевание или процесс приклеивания магнита

В 2015 году японская корпорация Nitto Denko объявила о разработке нового метода спекания неодимового магнитного материала. В этом методе используется «органическая / неорганическая гибридная технология» для образования глино-подобной смеси, которой можно придавать различные формы для спекания

Наиболее важно то, что можно контролировать неоднородную ориентацию магнитного поля в спеченном материале, чтобы локально концентрировать поле, например, для улучшения характеристик электродвигателей. Серийное производство запланировано на 2017 год.

По состоянию на 2012 год в Китае официально производилось 50 000 тонн неодимовых магнитов, а в 2013 году производилось 80 000 тонн в рамках наращивания «компания за компанией». Китай производит более 95% редкоземельных элементов и производит около 76 % всех редкоземельных магнитов в мире, а также большая часть неодима в мире.

Проблемы с коррозией

Эти неодимовые магниты сильно корродировали после пяти месяцев погодных условий.

Спеченный Nd 2 Fe 14 B склонен к коррозии , особенно по границам зерен спеченного магнита. Этот тип коррозии может вызвать серьезное повреждение, в том числе рассыпание магнита на порошок из мелких магнитных частиц или отслоение поверхностного слоя.

Эта уязвимость устраняется во многих коммерческих продуктах путем добавления защитного покрытия, предотвращающего воздействие атмосферы. Никелирование или двухслойное медно-никелевое покрытие являются стандартными методами, хотя также используются покрытия другими металлами или полимерные и лаковые защитные покрытия.

Как использовать

Неодимовый магнитный элемент самый сильный, превышающий аналоги, которые основаны на редкоземельном металле. Помимо этого, неодим способен значительно надолго сохранять намагниченную структуру. Использовать подобное оборудование можно в разных сферах. К примеру, его применяют при изготовлении накладных наушников с ветрогенераторами, мотор-колесами и скутерами.

Обратите внимание! Магниты активно используются в промышленной, бытовой, медицинской сфере. Также их применяют, чтобы проводить поисковые работы металлоискателем

Нередко их можно найти в сантехнике или сувенирах.

Из конкретных примеров можно назвать применение магнита при разработке медицинских приборов, магнитной обработки воды, создании масловых и технологичных фильтров, формировании исполнительных механизмов с высокочувствительными датчиками. Кроме того, они нужны, чтобы производилась одежда с чехлом и обувью, создавались рекламные, информационные и навигационные материалы.

Сфера применения материала

В целом, неодим — самый мощный постоянный магнитный материал, который обладает высокой стойкостью к размагничиванию, мощностью притяжения и металлическим внешним видом. Имеет большой срок службы, состоит из бора, железа и металла лантаноидной группы.

Оцените статью
Рейтинг автора
5
Материал подготовил
Андрей Измаилов
Наш эксперт
Написано статей
116
Добавить комментарий