آهن‌ربای خاکی کمیاب: تفاوت میان نسخه‌ها

محتوای حذف‌شده محتوای افزوده‌شده

درخط

نسخهٔ ‏۲۳ ژانویهٔ ۲۰۲۲، ساعت ۲۲:۰۰

آهنرباهای خاکی کمیاب آهنرباهای دائمی قدرتمندی هستند که از آلیاژ عناصر خاکی کمیاب ساخته شده اند. آهنرباهای خاکی کمیاب که در دهه‌های 1970 و 1980 توسعه یافتند قوی‌ترین نوع آهن رباهای دائمی ساخته‌شده هستند آنها نسبت به انواع آهنربا های دیگر مانند آهنرباهای فریت یا آلنیکو میدان‌های مغناطیسی بسیار قوی‌تری ایجاد می‌کنند. میدان های مغناطیسی که معمولاً توسط آهنرباهای خاکی کمیاب تولید می شود می تواند از مقدار 1.2 تسلا تجاوز کند، در حالی که آهن رباهای فریت یا سرامیک معمولاً میدان‌های 0.5 تا 1 تسلا را تولید می کنند. ‌

دو نوع از این آهن ربا ها وجود دارد:آهنرباهای نئودیمیوم و آهنرباهای ساماریوم-کبالت . آهنرباهای خاکی کمیاب بسیار شکننده هستند و همچنین در برابر خوردگی آسیب پذیر هستند، بنابراین معمولاً برای محافظت از آنها در برابر شکستن، خرد شدن یا پودر شدن، آبکاری شده یا روکش می شوند.

توسعه آهنرباهای خاکی کمیاب در حدود سال 1966 آغاز شد، زمانی که کی جی استرنات و جی هوفر در آزمایشگاه تحقیقات نیروی هوایی ایالات متحده کشف کردند که آلیاژ ایتریم و کبالت ، YCo ₅ ، بزرگترین ثابت ناهمسانگردی مغناطیسی را در بین مواد شناخته شده در آن دارا زمان بود. ^[۱]^[۲]

اصطلاح "خاکی کمیاب" می‌تواند گمراه‌کننده باشد، زیرا برخی از این فلزات می توانند^[۳]^[۴] به اندازه قلع یا سرب در پوسته زمین فراوان باشد ^[۵] اما سنگ های معدنی خاکی کمیاب در درزها (مانند زغال‌سنگ یا مس) وجود ندارند،بنابراین در هر کیلومتر مکعب معین از پوسته "نادر" هستند. منبع اصلی در حال حاضر ا چین است . ^[۶] برخی کشورها فلزات نادر خاکی را به عنوان فلزات مهم استراتژیک طبقه‌بندی می‌کنند، محدودیت‌های اخیر صادرات چین بر روی این مواد منجر به آغاز برنامه‌های تحقیقاتی برای توسعه آهن رباهای قوی بدون نیاز به فلزات نادر خاکی شده است.

ویژگی ها و ساختار

عناصر زمین کمیاب ( لانتانید ) فلزاتی فرومغناطیس هستند، به این معنی که همانند آهن می توانند مغناطیسی شوند تا به آهنربای دائمی تبدیل شوند، اما دمای کوری آنها (دمایی که در آن خاصیت فرومغناطیس آنها از بین می رود) کمتر از دمای اتاق است، بنابراین فقط در دماهای پایین آنها دارا خاصیت مغناطیسی هستند. با این حال، آنها ترکیبات آنها با فلزات واسطه مانند آهن ، نیکل و کبالت و ... دمای کوری بسیار بالاتر از دمای اتاق دارند. آهنرباهای خاکی کمیاب از این ترکیبات ساخته می شوند. قدرت بالای آنها به دو دلیل است:

اولاً، ساختار کریستالی آنها ناهمسانگردی مغناطیسی بسیار بالایی دارد. این بدان معنی است که یک کریستال از این ماده ترجیحاً در امتداد یک محور کریستالی خاص مغناطیسی می شود اما مغناطیسی شدن آن در جهات دیگر بسیار دشوار است. مانند سایر آهنرباها، آهنرباهای خاکی کمیاب از ریز کریستال ها تشکیل شده اند که در حین ساخت در یک میدان مغناطیسی قدرتمند هم تراز شدند، بنابراین محورهای مغناطیسی آنها همه در یک جهت قرار دارند. مقاومت شبکه کریستالی در برابر چرخش جهت مغناطیسی خود، این ترکیبات وادارنگی مغناطسی بسیار بالایی دارند (مقاومت در برابر مغناطیسی زدایی)، به طوری که در میدان مغناطیس زادیی قوی، از مغناطش آنها کم نمی شود.
دوم، اتم های عناصر کمیاب می توانند گشتاورهای مغناطیسی بالایی داشته باشند. آرایش الکترونی آنها حاوی تعداد زیادی الکترون جفت نشده است. در عناصر دیگر، تقریباً همه الکترون‌ها به صورت جفت با اسپین‌های مخالف وجود دارند، بنابراین میدان‌های مغناطیسی آنها خنثی می‌شود، اما در زمین‌های کمیاب حذف مغناطیسی بسیار کمتری وجود دارد. این نتیجه حاصل پر شدن ناقص پوسته f است که می تواند تا 7الکترون غیر پیوندی را شامل شود در آهن‌ربا، الکترون‌های جفت نشده‌در یک جهت می‌چرخند و میدان مغناطیسی را ایجاد می‌کنند. این به مواد مغناطش باقی‌مانده بالایی می دهد ( J _s). حداکثر چگالی انرژی B·H _max با J _s ² متناسب است، بنابراین این مواد پتانسیل ذخیره مقادیر زیادی انرژی مغناطیسی را دارند. انرژی مغناطیسی B·H _max آهنرباهای نئودیمیم حدود 18 برابر آهنرباهای "معمولی" از نظر حجم است. این امر اجازه می دهد تا آهنرباهای خاکی کمیاب با اندازه کوچکتر از سایر آهنرباها قدرت میدان یکسان باشند.

خواص مغناطیسی

برخی از خواص مهم مورد در مقایسه آهنرباهای دائمی عبارت ند از: پسماند مغناطیسی (B _R)، که قدرت میدان مغناطیسی اندازه گیری می گیرد؛ وادارندگی (H _CI)، مقاومت ماده دربرابر مناطیس زادیی شدن می باشد ؛ حاصل‌ضرب بیشینه انرژی ( B·H _max ) و دمای کوری ( T _C )، دمایی که در آن ماده خاصیت مغناطیسی خود را از دست می دهد. آهنرباهای خاکی کمیاب ماندگاری بالاتر، و حاصل‌ضرب بیشینه انرژی بسیار بالاتری دارند، اما نئودیمیم دمای کوری کمتری نسبت به انواع دیگر آهنربا ها دارد. جدول زیر عملکرد مغناطیسی دو نوع آهنرباهای خاکی کمیاب، نئودیمیم (Nd ₂ Fe ₁₄ B) و ساماریم- کبالت (SmCo ₅ ) را با سایر انواع آهنرباهای دائمی مقایسه می کند.

جدول برخی خواص مغناطیسی

آهنربا	نوع	B_r (T)	H_ci (kA/m)	B·H_max (kJ/m³)	T_C (°C)
Nd ₂ Fe ₁₄ B	متخلخل	1.0-1.4	750–2000	200-440	310-400
Nd ₂ Fe ₁₄ B	پیوندی	0.6-0.7	600-1200	60-100	310-400
SmCo ₅	متخلخل	0.8-1.1	600–2000	120-200	720
Sm (Co، Fe، Cu، Zr) ₇	متخلخل	0.9-1.15	450-1300	150-240	800
آلنیکو	متخلخل	0.6-1.4	275	10-88	700–860
Sr-فریت	متخلخل	0.2-0.4	100-300	10-40	450

انواع

ساماریوم-کبالت

آهنرباهای ساماریوم-کبالت (فرمول شیمیایی: Sm Co ₅ )، اولین خانواده اختراع شده آهنرباهای خاکی کمیاب است ، کمتر از آهنرباهای نئودیمیومی استفاده می شوند زیرا قیمت بالاتر و قدرت میدان مغناطیسی نسبتا کمتری دارند. با این حال، ساماریم-کبالت دمای کوری بالاتری دارد، و در جا هایی که در آن به قدرت میدان مغناطسی بالا در دمای عملیاتی بالا نیاز دارند، استفاد می شوند. این آهنربا در برابر اکسیداسیون بسیار مقاوم است، اما آهنرباهای ساماریوم-کبالت متخلخل، شکننده و مستعد ترک خوردن هستند و ممکن است در اثر شوک حرارتی ترک بخورند و بشکنند .

نئودیمیم

آهنرباهای نئودیمیم که در دهه 1980 اختراع شدند، قوی ترین و مقرون به صرفه ترین نوع آهنربای خاکی کمیاب هستند. آنها از آلیاژ نئودیمیم ، آهن و بور ساخته شده اند که گاهی اوقات به اختصار NIB نامیده می شود. آهنرباهای نئودیمیوم در کاربردهای گوناگون که در آن نیاز به آهنرباهای دائمی قوی و فشرده وجود دارند استفاده می شود، مانند موتورهای الکتریکی برای ابزار های بی سیم ، درایوهای دیسک سخت . آنها بالاترین قدرت میدان مغناطیسی را دارند و نیروی وادارندگی بالایی نیز دارند (که آنها را از نظر مغناطیسی پایدار می کند)، اما دمای کوری پایینی دارند و نسبت به آهنرباهای ساماریم-کبالت در برابر اکسایداسیون آسیب پذیرتر هستند ولی همانند آنها به مغناطس زدایی مقاوم است.

خوردگی می تواند باعث اسپال لایه سطحی آهنربای محافظت نشده یا پودر شدن آن شود. به همین دلیل استفاده از سطوح محافظ مانند آبکاری طلا ، نیکل ، روی و قلع و پوشش رزین اپوکسی می تواند از آهنربا در برابر خوردگی محافظت کند. در اکثر آهنرباهای نئودیمیم از آبکاری نیکل برای ایجاد یک محافظ قوی استفاده می کنند.

هزینه بالای این آهنرباها استفاده از آنها را محدود به کاربردهایی می کرد که به قدرت میدان مغناطیسی بالا علاوه بر فشردگی نیاز بود. هم مواد خام و هم مجوزهای ثبت اختراع گران بود. با این حال، از دهه 1990، آهنربای نئودیمیوم به طور پیوسته ارزان تر شده اند و هزینه به صرفه تر آنها الهام بخش استفاده های جدیدی مانند اسباب بازی مغناطیسی شد .

خطرات

توان تولید نیرو مغناطیسی بیشتر در آهنرباهای خاکی کمیاب خطراتی را ایجاد می کند که در دیگر انواع آهنربا دیده نمی شود. آهنرباهای بزرگتر از چند سانتی‌متر به اندازه‌ای قوی هستند که باعث آسیب به قسمت‌های مختلف بدن که بین دو آهن‌ربا یا آهن‌ربا و سطح فلزی قرار دارند می شود و حتی باعث شکستگی استخوان‌ها می‌شوند. ^[۷] این آهنرباها بیش از حد به یکدیگر نزدیک شوند می توانند با نیروی سهمناکی به یکدیگر ضربه بزنند و مواد شکننده را خرد کنند و تیکه های شکسته ای که با سرعت به اطراف پرد شدند می توانند باعث آسیب شوند. از سال 2005 این آهنرباهای قدرتمند باعث شکستن اسباب‌بازی‌ها شدند و حوادث ناگواری را رقم زدن. ^[۸] چندین کودک خردسال آهن‌ربا را بلعیده‌اند که بخشی از دستگاه گوارش آنها بین آهن‌رباها گیر کرده و باعث آسیب جدی و در یک مورد سوراخ‌های روده، سپسیس و مرگ شده است. ^[۹]

یک استاندارد داوطلبانه برای اسباب‌بازی‌ها، استفاده دائمی آهنرباهای قوی برای جلوگیری از بلعیده شدن، داشتن روکش رو آهنربای غیرمتصل به چیزی، در سال 2007 تصویب شد. ^[۸] در سال 2009، رشد ناگهانی در فروش اسباب بازی میز مغناطیسی فوتبال برای بزرگسالان باعث فزایش آمار جراحات شد، در گزارشات اورژانس در سال 2012،آمار مجروحان 3617 برآورد شد.^[۸] در پاسخ، کمیسیون ایمنی محصولات مصرفی ایالات متحده در سال 2012 قانونی را تصویب کرد که اندازه آهنربای زمین کمیاب را در محصولات محدود می کرد، اما با تصمیم دادگاه فدرال ایالات متحده در نوامبر 2016، در جریان پرونده ای که توسط یک تولید کننده این آهنربا ها مطرح شد، لغو شد. ^[۱۰] پس از لغو این قانون، تعداد حوادث بلعیدن آهنربا در کشور به شدت افزایش یافت و تخمین زده که در سال 2019 از 1500 نفر بیشتر تخمین زده شد. ^[۸]

کاربرد ها

از زمانی که قیمت آهنربا ها در دهه 1990 با هم رقابت می کرد، آهنرباهای نئودیمیم جایگزین آهنرباهای آلنیکو و فریت در بسیاری از کاربردها در فناوری های پیشرفته که به آهنرباهای قوی نیاز دارند، شد استحکام بیشتر آنها نسبت به آهنرباهای کوچکتر و سبکتر به آنها اجازه می داد تا برای کاربرد های خاص استفاده شوند.

برنامه های کاربردی رایج

سایر کاربردهای آهنرباهای خاکی کمیاب عبارتند از:

هارد دیسک کامپیوتر
ژنراتورهای توربین بادی
بلندگو / هدفون
دینام دوچرخه
اسکنرهای ام آر آی
ترمز قرقره ماهیگیری
موتورهای آهنربای دائم در ابزارهای بی سیم
سروو موتورهای AC با کارایی بالا
موتورهای کششی و استارت ژنراتورهای یکپارچه در خودروهای هیبریدی و الکتریکی
چراغ قوه‌های با نیروی مکانیکی ، با استفاده از آهنرباهای خاکی کمیاب برای تولید الکتریسیته در یک حرکت تکان دهنده یا حرکت چرخشی (با نیروی میل لنگ دستی)
مصارف صنعتی مانند حفظ خلوص محصول، حفاظت از تجهیزات و کنترل کیفیت
کنترل جذب ذرات فلزی ریز در روغن‌های روان‌کار (محل لنگ موتورهای احتراق داخلی، همچنین گیربکس‌ها و دیفرانسیل‌ها)، به‌گونه‌ای که ذرات مذکور را خارج نگه دارد و در نتیجه آنها را قادر به ایجاد ساینده‌ای در گردش قطعات متحرک ماشین نکند.

کاربرد های دیگر

موتورهای خطی (مورد استفاده در قطارهای مگلو و غیره) )
انیمیشن Stop motion : زمانی که استفاده از پیچ و مهره سنتی غیرعملی است، به‌عنوان اتصال دهنده‌ها.
آزمایش شناور دیامغناطیسی ، مطالعه دینامیک میدان مغناطیسی و شناور ابررسانا .
بلبرینگ های الکترودینامیکی
راه اندازی فناوری ترن هوایی که در ترن هوایی و سایر سواری های هیجان انگیز
پرتاب کننده های ال ای دی LED های کوچک متصل به یک باتری سلول دکمه ای و یک آهنربای خاکی کمیاب که به عنوان نوعی گرافیتی غیر مخرب و هنر عمومی موقت استفاده می شود.
اسباب بازی های آهنربایی نئودیمیم
پیکاپ گیتار الکتریک
فیگورهای مینیاتوری ، که آهن‌ربای‌های خاکی کمیاب به دلیل اندازه کوچک و قدرت نسبی خود قرار دادن و تعویض سلاح‌ها بین مدل‌ها را آسان می‌کنند، در جامعه بازی‌های مینیاتوری محبوبیت پیدا کرده‌اند.

تلاش برای بازیافت

پروژه ETN-Demeter اتحادیه اروپا (شبکه آموزشی اروپایی برای طراحی و بازیافت موتورها و ژنراتورهای مغناطیسی دائمی زمین کمیاب در خودروهای هیبریدی و تمام الکتریکی) ^[۱۱] در حال بررسی طراحی پایدار موتورهای الکتریکی مورد استفاده در وسایل نقلیه است. برای مثال، آن‌ها در حال طراحی موتورهای الکتریکی هستند که در آنها آهن رباها را می‌توان به راحتی برای بازیافت فلزات خاکی کمیاب حذف کرد.

. شورای تحقیقات اروپایی اتحادیه اروپا همچنین به محقق اصلی، پروفسور توماس زمب، و همکار او، دکتر ژان کریستف پی گابریل، کمک هزینه تحقیقاتی برای پیشرفت پروژه "بازیافت عنصر خاکی کمیاب با ضررکم اعطا کرد. ، که با هدف یافتن فرآیندهای جدید برای جایگزینی عناصر خاکی کمیاب بود . ^[۱۲]

همچنین ببینید

اقتصاد دورانی-سیستم احیا کننده‌ای که در آن ورودی منابع و ضایعات، انتشار و نشت انرژی به حداقل می‌رسد
لانتانید ها-عناصر خاکی کمیاب
بازیافت-تبدیل مواد زائد به مواد جدید محصولات
آهن‌ربای ساماریوم کبالت-نوعی آهنربای طبیعی کمیاب و همچنین یک آهن‌ربای دائمی قوی است که از دو عنصر اساسی ساماریم و کبالت ساخته شده‌است.

منابع

مطالعه بیشتر

Furlani Edward P. (2001). "Permanent Magnet and Electromechanical Devices: Materials, Analysis and Applications". Academic Press Series in Electromagnetism. شابک ‎۰−۱۲−۲۶۹۹۵۱−۳ ISBN 0-12-269951-3.
Brown, D. N.; B. Smith; B. M. Ma; P. Campbell (2004). "The Dependence of Magnetic Properties and Hot Workability of Rare Earth-Iron-Boride Magnets Upon Composition" (PDF). IEEE Transactions on Magnetics. 40 (4): 2895–2897. Bibcode:2004ITM....40.2895B. doi:10.1109/TMAG.2004.832240. ISSN 0018-9464. Archived from the original (PDF) on 2012-04-25.

پیوند به بیرون

Standard Specifications for Permanent Magnet Materials (Magnetic Materials Producers Association)
Edwards, Lin (22 March 2010). "Iron-nitrogen compound forms strongest magnet known". PhysOrg.

[[رده:انواع آهنربا]] [[رده:شناوری مغناطیسی]] [[رده:فناوری بلندگو]] [[رده:فرومغناطیس]]

↑ Cullity, B. D.; Graham, C. D. (2008). Introduction to Magnetic Materials. Wiley-IEEE. p. 489. ISBN 0-471-47741-9.
↑ Lovelace, Alan M. (March–April 1971). "More Mileage Than Programmed From Military R&D". Air University Review. US Air Force. 22 (3): 14–23. Retrieved July 4, 2012.
↑ McCaig, Malcolm (1977). Permanent Magnets in Theory and Practice. USA: Wiley. p. 123. ISBN 0-7273-1604-4.
↑ Sigel, Astrid; Helmut Sigel (2003). The lanthanides and their interrelations with biosystems. USA: CRC Press. pp. v. ISBN 0-8247-4245-1.
↑ Bobber, R. J. (1981). "New Types of Transducers". Underwater Acoustics and Signal Processing. p. 243. doi:10.1007/978-94-009-8447-9_20. ISBN 978-94-009-8449-3.
↑ Walsh, Bryan (March 13, 2012). "Raring to Fight: The U.S. Tangles with China over Rare-Earth Exports". Time Magazine. Retrieved November 13, 2017.
↑ Swain, Frank (March 6, 2009). "How to remove a finger with two super magnets". The Sciencepunk Blog. Seed Media Group LLC. Retrieved 2017-11-01.
↑ ^۸٫۰ ^۸٫۱ ^۸٫۲ ^۸٫۳ Number of children swallowing dangerous magnets surges as industry largely polices itself
↑ "Magnet Safety Alert" (PDF). U.S. Consumer Product Safety Commission. Retrieved 20 July 2014.
↑ "CPSC Recall Snapshot" (PDF). Alston & Bird. December 2016.
↑ "DEMETER project". etn-demeter.eu.
↑ "REE-CYCLE project". cordis.europa.eu.

[Cullity2-1] Cullity, B. D.; Graham, C. D. (2008). Introduction to Magnetic Materials. Wiley-IEEE. p. 489. ISBN 0-471-47741-9.

[Lovelace2-2] Lovelace, Alan M. (March–April 1971). "More Mileage Than Programmed From Military R&D". Air University Review. US Air Force. 22 (3): 14–23. Retrieved July 4, 2012.

[3] McCaig, Malcolm (1977). Permanent Magnets in Theory and Practice. USA: Wiley. p. 123. ISBN 0-7273-1604-4.

[4] Sigel, Astrid; Helmut Sigel (2003). The lanthanides and their interrelations with biosystems. USA: CRC Press. pp. v. ISBN 0-8247-4245-1.

[5] Bobber, R. J. (1981). "New Types of Transducers". Underwater Acoustics and Signal Processing. p. 243. doi:10.1007/978-94-009-8447-9_20. ISBN 978-94-009-8449-3.

[Walsh-6] Walsh, Bryan (March 13, 2012). "Raring to Fight: The U.S. Tangles with China over Rare-Earth Exports". Time Magazine. Retrieved November 13, 2017.

[7] Swain, Frank (March 6, 2009). "How to remove a finger with two super magnets". The Sciencepunk Blog. Seed Media Group LLC. Retrieved 2017-11-01.

[wp-8] ۸٫۰ ^۸٫۱ ^۸٫۲ ^۸٫۳ Number of children swallowing dangerous magnets surges as industry largely polices itself

[9] "Magnet Safety Alert" (PDF). U.S. Consumer Product Safety Commission. Retrieved 20 July 2014.

[10] "CPSC Recall Snapshot" (PDF). Alston & Bird. December 2016.

[11] "DEMETER project". etn-demeter.eu.

[12] "REE-CYCLE project". cordis.europa.eu.

[۱]

[۲]

[۳]

[۴]

[۵]

[۶]

[۷]

[۸]

[۹]

[۱۰]

[۱۱]

[۱۲]