Μαγνήτης νεοδυμίου

Ένας μαγνήτης νεοδυμίου (neodymium magnet) (γνωστός επίσης ως μαγνήτης NdFeB, NIB ή Neo), ο πιο ευρέως χρησιμοποιούμενος τύπος μαγνήτη σπάνιων γαιών, είναι ένας μόνιμος μαγνήτης κατασκευασμένος από ένα κράμα νεοδυμίου, σιδήρου και βορίου για να σχηματίσει την Nd₂Fe₁₄B τετραγωνική κρυσταλλική δομή. Αναπτύχθηκε το 1982 από τη General Motors και τη Sumitomo Metal Industries. Οι μαγνήτες νεοδυμίου είναι ο πιο ισχυρός τύπος εμπορικά διαθέσιμου μαγνήτη. Έχουν αντικαταστήσει άλλους τύπους μαγνητών σε πολλές εφαρμογές σε σύγχρονα προϊόντα που απαιτούν ισχυρούς μόνιμους μαγνήτες, όπως σε κινητήρες ασύρματων εργαλείων, σε σκληρούς δίσκους και σε μαγνητικούς σφιγκτήρες.

Περιγραφή

Η τετραγωνική κρυσταλλική δομή του Nd₂Fe₁₄B έχει εξαιρετικά υψηλή μονοαξονική μαγνητοκρυσταλλική ανισοτροπία (HA~7 T - 
ένταση μαγνητικού πεδίου H σε A/m ως προς τη μαγνητική ροπή σε A.m²).
Αυτό δίνει στην ένωση τη δυνατότητα να έχει υψηλή μαγνητική αντίσταση (δηλαδή, αντίσταση στην απομαγνήτιση). Η ένωση έχει επίσης έναν υψηλό μαγνήτιση κορεσμού (saturation magnetization) (Jₛ ~1,6 T ή 16 kG) και συνήθως 1,3 T. Συνεπώς, επειδή η μέγιστη ενεργειακή πυκνότητα είναι ανάλογη με το Jₛ², αυτή η μαγνητική φάση έχει τη δυνατότητα αποθήκευσης μεγάλων ποσοτήτων μαγνητικής ενέργειας (BHₘₐₓ ~ 512 kJ/m³ ή 64 MG·Oe). Αυτή η ιδιότητα είναι σημαντικά πιο μεγάλη σε κράματα του NdFeB παρά σε μαγνήτες σαμάριου-κοβαλτίου (SmCo), που ήταν ο πρώτος τύπος μαγνήτη σπάνιων γαιών που έγινε εμπορικός. Στην πράξη, οι μαγνητικές ιδιότητες των μαγνητών νεοδυμίου εξαρτώνται από τη σύνθεση του κράματος, τη μικροδομή και τη χρησιμοποιούμενη τεχνική κατασκευής.

Ιστορικό

Το 1982, η General Motors (GM) και η Sumitomo Metal Industries ανακάλυψαν την ένωση Nd₂Fe₁₄B. Η έρευνα αρχικά ξεκίνησε λόγω του υψηλού κόστους των πρώτων υλών των μόνιμων μαγνητών SmCo, που είχαν αναπτυχθεί πιο νωρίς. Η GM εστίασε στην ανάπτυξη των νανοκρυσταλλικών μαγνητών Nd₂Fe₁₄B με κλώση υπό πίεση (melt-spun), ενώ η Sumitomo ανέπτυξε τους πλήρους πυκνότητας συντετηγμένους μαγνήτες Nd₂Fe₁₄B.
Η GM εμπορικοποίησε τις εφευρέσεις της και οι σχετικές διεργασίες παραγωγής ξεκίνησαν το 1986 από τη Magnequench (η Magnequench έγινε τμήμα της Neo Materials Technology, Inc., η οποία στη συνέχεια συγχωνεύτηκε στην Molycorp). Η εταιρεία προμήθευε σκόνη Nd₂Fe₁₄B σε κατασκευαστές δεσμευμένων μαγνητών (bonded magnet).
Η Sumitomo έγινε τμήμα της Hitachi Ltd. και κατασκευάζει τώρα και αδειοδοτεί άλλες εταιρείες στην παραγωγή συντετηγμένων μαγνητών Nd₂Fe₁₄B. Η Hitachi κατέχει περισσότερες από 600 ευρεσιτεχνίες που καλύπτουν μαγνήτες νεοδυμίου.
Κινέζοι κατασκευαστές έχουν γίνει κυρίαρχοι στην παραγωγή μαγνητών νεοδυμίου, βασισμένοι στο έλεγχο των περισσότερων παγκόσμιων πόρων των ορυκτών σπανίων γαιών.
Οι Ηνωμένες Πολιτείες Αμερικής πιστοποίησαν την ανάγκη εύρεσης υποκατάστατων για τα μέταλλα των σπανίων γαιών στην τεχνολογία των μόνιμων μαγνητών  και έχει ξεκινήσει τη χρηματοδότηση τέτοιας έρευνας.

Προβλήματα διάβρωσης

Το συντετηγμένο Nd₂Fe₁₄B τείνει να είναι ευάλωτο στη διάβρωση, ιδιαίτερα κατά μήκος των ορίων κόκκων του συντετηγμένου μαγνήτη. Αυτός ο τύπος διάβρωσης μπορεί να προκαλέσει σοβαρή υποβάθμιση, συμπεριλαμβανομένου του θρυμματισμού του μαγνήτη σε σκόνη από μικρά μαγνητικά σωματίδια, ή απολέπιση (spalling) μιας επιφανειακής στρώσης.
Αυτή η τρωτότητα αντιμετωπίζεται σε πολλά εμπορικά προϊόντα με την προσθήκη μιας προστατευτικής επικάλυψης προς αποφυγή έκθεσης στην ατμόσφαιρα. Η επινικέλωση ή η επιμετάλλωση με διπλή στρώση χαλκού-νικελίου είναι οι κλασικές μέθοδοι, αν και η επιμετάλλωση με άλλα μέταλλα, ή πολυμερή και προστατευτικές στρώσεις λάκας χρησιμοποιούνται επίσης.

Κίνδυνοι

Η μεγαλύτερη δύναμη που εξασκείται από τους μαγνήτες των σπανίων γαιών δημιουργεί κινδύνους που δεν εμφανίζονται με άλλους τύπους μαγνητών. Μαγνήτες νεοδυμίου μεγαλύτεροι από μερικά κυβικά εκατοστά είναι αρκετά ισχυροί για να προκαλέσουν τραυματισμούς σε μέρη του σώματος που σφίγγονται μεταξύ δύο μαγνητών, ή ενός μαγνήτη και μιας μεταλλικής επιφάνειας, που μπορούν να προκαλέσουν ακόμα και θραύση οστών.
Οι μαγνήτες που αφήνονται να πλησιάσουν πολύ κοντά μεταξύ τους μπορούν να αλληλοκτυπηθούν με αρκετή δύναμη ώστε να θρυμματίσουν και να καταστρέψουν το εύθρυπτο υλικό και τα ιπτάμενα θραύσματα μπορούν να προκαλέσουν τραυματισμούς. Έχουν υπάρξει περιπτώσεις όπου νεαρά παιδιά που έχουν καταπιεί αρκετούς μαγνήτες είχαν ως αποτέλεσμα το σφίξιμο τμημάτων του γαστρεντερικού συστήματος μεταξύ δύο μαγνητών, προκαλώντας τραυματισμούς ή θάνατο. Τα ισχυρότερα μαγνητικά πεδία μπορεί να είναι επιβλαβή σε μηχανικές και ηλεκτρονικές συσκευές, επειδή μπορούν να σβήσουν μαγνητικά πεδία όπως μαγνητικά μέσα υπολογιστή, τραπεζικές κάρτες, να μαγνητίσουν ρολόγια και τις μάσκες σκιάς (shadow masks) των οθονών τύπου καθοδικού σωλήνα σε μεγαλύτερη απόσταση από τους άλλους τύπους μαγνητών.

Νέες εφαρμογές

Επιπλέον, η μεγαλύτερη ισχύς των μαγνητών νεοδυμίου έχει παροτρύνει τη χρήση μαγνητών σε εφαρμογές που παλιότερα δεν εχρησιμοποιούντο, όπως στα μαγνητικά κουμπώματα κοσμημάτων, σε παιδικές μαγνητικές κατασκευές (και άλλα  παιχνίδια) και ως τμήματα του μηχανισμού κλεισίματος σύγχρονου εξοπλισμού αθλητικών αλεξιπτώτων.
Η ισχύς και η ομοιογένεια του μαγνητικού πεδίου στους μαγνήτες νεοδυμίου έχουν αναπτύξει νέες εφαρμογές στον ιατρικό τομέα με την εισαγωγή ανοικτών σαρωτών μαγνητικής τομογραφίας (MRI) που χρησιμοποιούνται στην απεικόνιση του σώματος στα ραδιολογικά τμήματα ως εναλλακτικός τρόπος στους υπεραγώγιμους μαγνήτες που χρησιμοποιούν ένα πηνίο υπεραγώγιμου καλωδίου για την παραγωγή μαγνητικού πεδίου.
Οι μαγνήτες νεοδυμίου χρησιμοποιούνται ως χειρουργικά τοποθετούμενα συστήματα κατά της παλινδρόμησης και αποτελούνται από μια ταινία μαγνητών που εμφυτεύεται χειρουργικά γύρω από τον κατώτερο οισοφαγικό σφιγκτήρα (lower esophageal sphincter) για να αντιμετωπιστεί η γαστροοισοφαγική παλινδρομική νόσος (GERD).