Seltenerdmagnete sind starke Dauermagnete aus Legierungen von Seltenerdelementen. Seltene Erdenmagnete wurden in den 1970er und 1980er Jahren entwickelt und sind die stärksten Arten von Permanentmagneten. Sie erzeugen deutlich stärkere Magnetfelder als andere Arten wie Ferrit- oder Alnico-Magnete. Das Magnetfeld, das typischerweise von Seltenerd-Magneten erzeugt wird, kann 1,4 Teslas übersteigen, während Ferrit- oder Keramikmagnete typischerweise Felder von 0,5 bis 1 Tesla aufweisen. Es gibt zwei Arten: Neodym-Magnete und Samarium-Kobalt-Magnete. Magnetostriktive Seltenerdmagnete wie Terfenol-D haben auch Anwendungen, z. in Lautsprechern. Seltene Erden-Magnete sind extrem spröde und auch anfällig für Korrosion. Daher werden sie normalerweise plattiert oder beschichtet, um sie vor Bruch, Abplatzen oder Zerfallen in Pulver zu schützen.
Die Entwicklung von Magneten für seltene Erden begann um 1966, als KJ Strnat und G. Hoffer vom US Air Force Materials Laboratory entdeckten, dass eine Legierung aus Yttrium und Kobalt, YCo 5 die weitaus größte Rolle gespielt hatte Die größte magnetische Anisotropiekonstante eines damals bekannten Materials. [1][2] Der Begriff "Seltene Erde" kann irreführend sein, da diese Metalle nicht besonders selten oder wertvoll sind. [3][4] Sie sind etwa so häufig wie Zinn oder Blei. [5] Seltene Erze sind ungleichmäßig verteilt, wobei die Hauptquelle China ist [6] weshalb Länder Seltenerdmetalle als strategisch wichtig eingestuft haben. [7] Die jüngsten chinesischen Exportbeschränkungen für diese Materialien haben dazu geführt, dass andere Länder Forschungsprogramme initiieren starke Magnete, die sie nicht benötigen.
Erklärung der Festigkeit [ edit ]
Die Seltenerdelemente (Lanthanid) sind Metalle sind ferromagnetisch, was bedeutet, dass sie wie Eisen zu Permanentmagneten magnetisiert werden können, ihre Curie-Temperaturen (die Temperatur, über der der Ferromagnetismus verschwindet) jedoch unterhalb der Raumtemperatur liegen, so dass ihr Magnetismus in reiner Form nur bei niedrigen Temperaturen auftritt. Sie bilden jedoch Verbindungen mit den Übergangsmetallen wie Eisen, Nickel und Kobalt, und einige dieser Verbindungen haben Curie-Temperaturen, die deutlich über der Raumtemperatur liegen. Aus diesen Verbindungen werden Seltenerd-Magnete hergestellt.
Die größere Stärke von Seltenerdmagneten beruht hauptsächlich auf zwei Faktoren. Erstens haben ihre kristallinen Strukturen eine sehr hohe magnetische Anisotropie. Dies bedeutet, dass ein Kristall des Materials vorzugsweise entlang einer bestimmten Kristallachse magnetisiert, jedoch nur sehr schwer in andere Richtungen zu magnetisieren ist. Wie andere Magnete bestehen Seltenerd-Magnete aus mikrokristallinen Körnern, die bei der Herstellung in einem starken Magnetfeld ausgerichtet sind, so dass ihre Magnetachsen alle in dieselbe Richtung weisen. Die Beständigkeit des Kristallgitters gegen das Drehen seiner Magnetisierungsrichtung verleiht diesen Verbindungen eine sehr hohe magnetische Koerzitivfeldstärke (Widerstand gegen Entmagnetisierung).
Zweitens können Atome von Elementen der Seltenen Erden hohe magnetische Momente aufweisen, da ihre Orbitalelektronenstruktur viele ungepaarte Elektronen enthält, im Gegensatz zu anderen Elementen, bei denen fast alle Elektronen paarweise mit entgegengesetzten Spins, also ihren Magnetfeldern, vorliegen aufheben. Dies ist eine Folge der unvollständigen Füllung der F-Schale, die bis zu 7 ungepaarte Elektronen enthalten kann. In einem Magneten sind es die ungepaarten Elektronen, die so ausgerichtet sind, dass sie sich in die gleiche Richtung drehen, und das Magnetfeld erzeugen. Dies verleiht den Materialien eine hohe Remanenz (Sättigungsmagnetisierung J s ). Die maximale Energiedichte BH max ist proportional zu J s 2 so dass diese Materialien das Potenzial haben, große Mengen an magnetischer Energie zu speichern. Das magnetische Energieprodukt BH max von Neodym-Magneten ist etwa 18-mal größer als "gewöhnliche" Magneten im Volumen. Dadurch können Seltenerd-Magnete bei gleicher Feldstärke kleiner sein als andere Magnete.
Magnetische Eigenschaften [ edit ]
Einige wichtige Eigenschaften, die zum Vergleichen von Permanentmagneten verwendet werden, sind: Remanenz ( B r ), die die Stärke von misst das Magnetfeld; Koerzitivfeldstärke ( H ci ), der Widerstand des Materials gegen Entmagnetisierung; Energieprodukt ( BH max ) die Dichte der magnetischen Energie; und Curie-Temperatur ( T C ), die Temperatur, bei der das Material seinen Magnetismus verliert. Seltene Erdenmagnete haben eine höhere Remanenz, eine viel höhere Koerzitivfeldstärke und ein höheres Energieprodukt, aber (für Neodym) eine niedrigere Curie-Temperatur als andere Typen. In der nachstehenden Tabelle werden die magnetischen Eigenschaften der beiden Arten von Seltenerdmagneten, Neodym (Nd 2 Fe 14 B) und Samarium-Cobalt (SmCo 5 [19459012), verglichen. ), mit anderen Arten von Permanentmagneten.
| Magnet | B r (T) | H ci (kA / m) | ( BH ) max (kJ / m 3 ) | T C (° C) |
|---|---|---|---|---|
| Nd 2 Fe 14 B (gesintert) | 1.0–1.4 | 750–2000 | 200–440 | 310–400 |
| Nd 2 Fe 14 B (gebunden) | 0,6–0,7 | 600–1200 | 60–100 | 310–400 |
| SmCo 5 (gesintert) | 0.8–1.1 | 600–2000 | 120–200 | 720 |
| Sm (Co, Fe, Cu, Zr) 7 (gesintert) | 0,9–1,15 | 450–1300 | 150–240 | 800 |
| Alnico (gesintert) | 0,6–1,4 | 275 | 10–88 | 700–860 |
| Sr-Ferrit (gesintert) | 0,2–0,4 | 100–300 | 10–40 | 450 |
Quelle: [ Zitat erforderlich ]
Samarium-Cobalt [ edit ]
Samarium-Cobalt-Magneten (chemische Formel: SmCo [19459011)] 5 ), die erste Familie von Seltenen Erdenmagneten, die aufgrund ihrer höheren Kosten und ihrer geringeren Magnetfeldstärke weniger als Neodym-Magneten verwendet wird. Samarium-Kobalt hat jedoch eine höhere Curie-Temperatur, was eine Nische für diese Magnete in Anwendungen schafft, in denen eine hohe Feldstärke bei hohen Betriebstemperaturen erforderlich ist. Sie sind sehr beständig gegen Oxidation, aber gesinterte Samarium-Kobalt-Magnete sind spröde und neigen zu Abplatzungen und Rissen und können bei einem thermischen Schock brechen.
Neodym [ edit ]
Neodym-Magneten, die in den 1980er Jahren erfunden wurden, sind die stärksten und erschwinglichsten Arten von Seltenerdmagneten. Sie bestehen aus einer Legierung aus Neodym, Eisen und Bor (Nd 2 Fe 14 B), manchmal als NIB abgekürzt. Neodym-Magnete werden in zahlreichen Anwendungen eingesetzt, die starke, kompakte Dauermagnete erfordern, wie beispielsweise Elektromotoren für schnurlose Werkzeuge, Festplattenlaufwerke, magnetische Niederhalter und Schmuckverschlüsse. Sie haben die höchste Magnetfeldstärke und eine höhere Koerzivität (wodurch sie magnetisch stabil sind), sie haben jedoch eine niedrigere Curie-Temperatur und sind anfälliger für Oxidation als Samarium-Cobalt-Magnete. Korrosion kann dazu führen, dass ungeschützte Magnete von einer Oberflächenschicht abplatzen oder zu Pulver zerfallen. Die Verwendung von Oberflächenschutzbehandlungen wie Gold, Nickel, Zink und Verzinnen und Epoxidharzbeschichtung kann Korrosionsschutz bieten.
Ursprünglich beschränkten sich die hohen Kosten dieser Magnete auf Anwendungen, bei denen Kompaktheit und hohe Feldstärke erforderlich waren. Sowohl die Rohstoffe als auch die Patentlizenzen waren teuer. Seit den 1990er Jahren sind NIB-Magneten jedoch immer billiger geworden, und die niedrigen Kosten haben zu neuen Anwendungen wie magnetischem Konstruktionsspielzeug geführt.
Hazards [ edit ]
Die größere Kraft, die von Seltenerdmagneten ausgeübt wird, erzeugt Gefahren, die bei anderen Magnetarten nicht zu sehen sind. Magnete, die größer als einige Zentimeter sind, sind stark genug, um Körperteile zu verletzen, die zwischen zwei Magneten oder einem Magneten und einer Metalloberfläche eingeklemmt werden, und sogar Knochenbrüche verursachen. [8] Magneten, die sich zu nahe kommen lassen, können sich mit ausreichender Kraft treffen das spröde Material zu zerspanen und zu zertrümmern, und die fliegenden Späne können Verletzungen verursachen. Es gab sogar Fälle, in denen Kleinkindern, die mehrere Magnete verschluckt hatten, eine Verdickung des Verdauungstrakts zwischen den Magneten verursacht wurde, was zu Verletzungen und in einem Fall Darmperforationen, Sepsis und Tod führte. [9] [19659003] Die US-amerikanische Consumer Product Safety Commission verabschiedete eine Vorschrift zur Beschränkung der Seltenerdmagnet-Größe in Konsumgütern, die jedoch im November 2016 durch eine US-Bundesgerichtsentscheidung aufgehoben wurde. [10]
Anwendungen [ edit ]
Seit ihre Preise in den 1990er Jahren wettbewerbsfähig wurden, haben Neodym-Magneten Alnico- und Ferrit-Magnete in den vielen Anwendungen moderner Technologien ersetzt, die starke Magneten erfordern. Aufgrund ihrer höheren Festigkeit können kleinere und leichtere Magnete für eine bestimmte Anwendung verwendet werden.
Gemeinsame Anwendungen [ edit ]
Zu den häufigsten Anwendungen von Seltenerdmagneten gehören:
- Computerfestplattenlaufwerke
- Windturbinengeneratoren
- Lautsprecher / Kopfhörer
- Fahrraddynamos
- MRI-Scanner
- Angelrollenbremsen
- Permanentmagnetmotoren in schnurlosen Werkzeugen
- Hochleistungsgerät AC-Servomotoren
- Fahrmotoren und integrierte Startergeneratoren in Hybrid- und Elektrofahrzeugen
- mechanisch angetriebene Taschenlampen mit Seltenerdmagneten zur Erzeugung von Elektrizität in einer Schüttelbewegung oder einer drehenden (mit Handkurbel betriebenen) Bewegung
- in der Industrie Verwendungen wie Aufrechterhaltung der Produktreinheit, Schutz der Ausrüstung und Qualitätskontrolle
- Einfangen von feinen Metallpartikeln in Schmierölen (Kurbelgehäuse von Verbrennungsmotoren, auch Getriebe und Differentiale), um diese Partikel von der Zirkulation fernzuhalten und sie dadurch zu machen Verschleiß von beweglichen Maschinenteilen kann nicht verursacht werden
Andere Anwendungen [ edit ]
Andere Anwendungen von Seltenerdmagazinen Netze umfassen:
Seltene Erden-Permanentmagnete [ edit ]
Das Energieministerium der Vereinigten Staaten hat festgestellt, dass es notwendig ist, Ersatzstoffe für Seltenerdmetalle in der Permanentmagnet-Technologie zu finden begonnen, solche Forschung zu finanzieren. Die Agentur für fortgeschrittene Forschungsprojekte (ARPA-E) hat ein Programm zur Entwicklung von Seltenen Erden in kritischen Technologien (REACT) gefördert, um alternative Materialien zu entwickeln. Im Jahr 2011 gewährte ARPA-E 31,6 Millionen US-Dollar für die Finanzierung von Projekten für den Einsatz von Rare-Earth-Substituten. [11]
Referenzen [ edit ]
- ^ Cullity, B. D .; Graham, C. D. (2008). Einführung in magnetische Materialien . Wiley-IEEE. p. 489. ISBN 0-471-47741-9.
- ^ Lovelace, Alan M. (März-April 1971). "Mehr Kilometer als aus militärischer Forschung und Entwicklung programmiert". Air University Review . US Luftstreitkräfte. 22 (3): 14–23 . 4. Juli 2012
- McCaig, Malcolm (1977). Permanentmagnete in Theorie und Praxis . USA: Wiley. p. 123. ISBN 0-7273-1604-4.
- ^ Sigel, Astrid; Helmut Sigel (2003). Die Lanthaniden und ihre Wechselbeziehungen zu Biosystemen . USA: CRC Press. pp. v. ISBN 0-8247-4245-1
- ^ Bobber, R. J. (1981). "Neue Arten von Wandlern". Unterwasserakustik und Signalverarbeitung . p. 243. doi: 10.1007 / 978-94-009-8447-9_20. ISBN 978-94-009-8449-3.
- ^ Walsh, Bryan (13. März 2012). "Selten zu kämpfen: Die USA verwickeln sich mit China um Exporte von seltenen Erden". Time Magazine . 13. November 2017 .
- ^ Chu, Steven (2011). Strategie für kritische Materialien . DIANE Publishing. S. 96–98. ISBN 1437944183.
- ^ Swain, Frank (6. März 2009). "So entfernen Sie einen Finger mit zwei Supermagneten". Der Sciencepunk-Blog . Seed Media Group LLC . Abgerufen 2017-11-01 .
- ^ "Magnet Safety Alert" (PDF) . U.S. Consumer Product Safety Commission . 20. Juli 2014 .
- ^ "CPSC Recall Snapshot" (PDF) . Alston & Bird. Dezember 2016.
- ^ "Forschungsförderung für Seltene Erden-freie Dauermagnete". ARPA-E . 23. April 2013 .
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