Retųjų žemių magnetai — kas tai? Tipai, savybės ir panaudojimas
Retųjų žemių magnetai yra labai stiprūs nuolatiniai magnetai, pagaminti iš retųjų žemių elementų lydinių. Dėl savo didelio magnetinio lauko tankio jie sparčiai pakeitė silpnesnius ferito ar alnico tipus daugelyje pramoninių ir kasdienių pritaikymų.
Septintajame ir aštuntajame dešimtmetyje sukurti retųjų žemių magnetai yra vieni iš stipriausių nuolatinių magnetų. Jų magnetinis laukas yra gerokai stipresnis nei tradicinių medžiagų, todėl galima sumažinti magnetų dydį ir svorį, išlaikant ar net padidinant prietaiso efektyvumą.
Tipai ir cheminė sudėtis
Dažniausiai sutinkami du pagrindiniai tipai yra:
- Neodimio (NdFeB) magnetai — gaminami iš neodimio, geležies ir boro lydinio. Jie pasižymi labai dideliu magnetiniu stiprumu ir aukštu energetiniu produktu (BHmax), todėl plačiai naudojami ten, kur reikalingi kompaktiški ir galingi magnetai.
- Samario‑kobalto (SmCo) magnetai — sudaryti iš samario ir kobalto lydinio. Nors jie dažnai brangesni ir turi mažesnę magnetinę energiją nei NdFeB, SmCo magnetai yra atsparesni aukštoms temperatūroms ir mažiau linkę koroduoti.
Taip pat yra specializuotų retųjų žemių lydinių, pvz., Terfenol‑D (terbis‑dysprosium‑geležies pagrindu), kurie yra magnetostrikciniai ir naudojami aktuatėriuose bei jutikliuose; paminėti lydiniai kartais taikomi garsiakalbiuose ir kitose garso įrangose.
Fizikinės ir magnetinės savybės
- Didelis remanentos magnetizmas ir koercityvumas: retųjų žemių magnetai turi aukštą likutinį magnetinį lauką ir tik menkai demagnetizuojami išorinių laukų ar apkrovų.
- BHmax (energetinis produktas): NdFeB magnetų BHmax reikšmės gali būti labai aukštos, kas leidžia gauti stiprų lauko intensyvumą kompaktiškuose elementuose.
- Temperatūrinis stabilumas: NdFeB magnetai praranda dalį savo magnetinių savybių aukštoje temperatūroje (temperatūros diapazonas ir Curie taškas priklauso nuo lydinio). SmCo magnetai paprastai atlaiko aukštesnes temperatūras geriau ir turi didesnį Curie tašką.
- Trapumas ir mechaninis atsparumas: retųjų žemių magnetai yra gana trapūs — linkę skilinėti ar trupėti, todėl dažnai montuojami kartu su mechanine apsauga.
- Korozijos jautrumas: ypač NdFeB magnetai greitai koroduoja veikiami drėgmės ir cheminių medžiagų, todėl jie dažnai dengiami apsauginėmis dangomis.
Dangų ir apsaugos priemonės
Dėl korozijos ir trapumo magnetai įprastai padengiami arba apdorojami:
- nikelio‑vario‑nikelio (Ni‑Cu‑Ni) elektrocheminis padengimas;
- epoksidinės dervos arba polimeriniai sluoksniai;
- cinko, chromo arba aukso dangos specialiems panaudojimams.
Tinkama danga saugo nuo rūdijimo, sumažina trintį ir apsaugo nuo smulkių trupinių susidarymo montavimo metu.
Gamybos būdai
Pagrindiniai gamybos procesai: sinterinimas (tankinimas ir sintravimas iš dulkių) ir suspaustųjų / įmirkytų (bonded) magnetų gamyba (naudojant rišiklius ar injekcinį formavimą). Sinterinti magnetai paprastai turi geresnes magnetines savybes, o bonded magnetai leidžia gaminti sudėtingesnių formų detales ir mažiau trūkinėja.
Panaudojimas
Retųjų žemių magnetai plačiai naudojami dėl jų kompaktiškumo ir didelio efektyvumo:
- elektros varikliai ir generatoriai (įskaitant elektromobilių variklius ir vėjo turbinų generatorius);
- kietųjų diskų pavara (HDD), skaitymo galvutės;
- aktyvūs garso įrenginiai — garsiakalbiai, ausinės, mikrofonai;
- jutikliai, aktuatėriai ir pozicijos matavimo sistemos;
- medicininė įranga (pvz., klausos aparatų magnetai, chirurginiai instrumentai), taip pat kai kurios specialiosios diagnostinės ar terapinės įrangos dalys;
- pramoniniai atskyrimo ir fiksavimo įrenginiai, magnetiniai tvirtinimai, įrankiai;
- automobilių technologijos — elektrovarikliai, starteriai, jutikliai, hibridinės ir elektrinės pavaros sistemos.
Privalumai ir trūkumai
- Privalumai: labai didelis magnetinis stiprumas, leidžiantis sumažinti komponentų dydį ir svorį; puikus efektyvumas elektros varikliams ir generatoriams; didelė energinė sparta.
- Trūkumai: didesnė kaina (ypač SmCo ar Dy priedų turintys lydiniai), korozijos jautrumas (ypač NdFeB), trapumas ir tiekimo grandinės bei aplinkosaugos iššūkiai, susiję su retųjų žemių išgavimu ir apdirbimu.
Tiekimo, aplinkos ir saugos aspektai
Didžioji dalis pasaulio retųjų žemių žaliavos gaunama ir apdorojama keliose šalyse, todėl gali būti jautri tiekimo grandinės sutrikimams. Retųjų žemių kasyba ir perdirbimas gali kelti ekologinius klausimus — atliekų bei cheminių atliekų tvarkymas, energijos sąnaudos ir socialiniai klausimai. Dėl to auga susidomėjimas perdirbimu ir medžiagų pakartotiniu naudojimu.
Saugos sumetimais reikia atminti:
- stiprūs magnetai gali sulaužyti elektroninius įrenginius, atminties laikmenas ar paveikti pacemakerius — vengti artumo prie jautrios medicininės įrangos;
- stiprūs magnetai gali prilipti vienas prie kito ar prie metalinių paviršių su dideliu smūgiu — kyla žaizdų ar įtrūkimų pavojus;
- magnetai gali byrėti ar skaldytis — naudoti apsaugines priemones montuojant ir apdorojant;
- tinkamai laikyti ir transportuoti, atskiriant magnetų poras ir naudojant apsauginius gaubtus.
Priežiūra ir perdirbimas
Norint pratęsti magnetų tarnavimo laiką, rekomenduojama naudoti apsaugines dangas, apsauginius būstus ir vengti ilgalaikio poveikio aukštai temperatūrai. Retųjų žemių magnetų perdirbimas yra technologiškai įmanomas ir vis labiau skatinamas — tai sumažina žaliavų poreikį ir aplinkos poveikį. Perdirbimo metodai apima magnetų atskyrimą, terminį/cheminį apdorojimą ir metalų atkūrimą.
Santrauka: retųjų žemių magnetai (ypač neodimio ir samario‑kobalto) suteikia itin stiprų magnetinį lauką ir leidžia kurti efektyvius bei kompaktiškus prietaisus, tačiau jie turi specifinių reikalavimų dėl korozijos, temperatūros ir mechaninės apsaugos. Atsakingas jų naudojimas, dizainas bei perdirbimas padeda sumažinti tiekimo ir aplinkos rizikas.
Ferrofluidas ant stiklo su retųjų žemių magnetu po juo
Klausimai ir atsakymai
K: Kas yra retųjų žemių magnetai?
A: Retųjų žemių magnetai yra stiprūs nuolatiniai magnetai, pagaminti iš retųjų žemių elementų lydinių.
K: Kada buvo sukurti retųjų žemių magnetai?
A. Retųjų žemių magnetai buvo sukurti septintajame ir aštuntajame dešimtmetyje.
K: Kokie stiprūs yra retųjų žemių magnetai, palyginti su kitų rūšių nuolatiniais magnetais?
A: Retųjų žemių magnetai turi daug stipresnį magnetinį lauką nei kitų tipų, pavyzdžiui, feritiniai ar alnico magnetai.
K: Kokie yra du retųjų žemių magnetų tipai?
A: Du retųjų žemių magnetų tipai yra neodimio magnetai ir samario kobalto magnetai.
K: Kokie yra kai kurie retųjų žemių magnetų panaudojimo būdai?
A: Retųjų žemių magnetai naudojami garsiakalbiuose ir kitose srityse, kuriose reikia stipraus magnetinio lauko.
K: Kodėl retųjų žemių magnetai paprastai dengiami arba padengiami?
A: Retųjų žemių magnetai yra labai trapūs ir jautrūs korozijai, todėl jie paprastai dengiami arba dengiami, kad būtų apsaugoti nuo lūžimo, suskilinėjimo ar sutrupėjimo į miltelius.
K: Ar visi retųjų žemių magnetai yra magnetostrikciniai?
A: Ne, ne visi retųjų žemių magnetai yra magnetostrikciniai. Kai kurie, pavyzdžiui, "Terfenol-D", yra magnetostrikciniai.
