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 Η 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.

Παραγωγή
Υπάρχουν δύο κύριες μέθοδοι παρασκευής μαγνητών νεοδυμίου:
 Η μεταλλουργία κλασσικής σκόνης ή διεργασία συντετηγμένου μαγνήτη
 Η γρήγορη στερεοποίηση ή διεργασία δεσμευμένου μαγνήτη

Οι συντετηγμένοι μαγνήτες νεοδυμίου παρασκευάζονται με τη σύντηξη των πρώτων υλών σε φούρνο, χύτευση σε μια μήτρα και ψύξη για τον σχηματισμό πλινθωμάτων (ingots). Τα πλινθώματα κονιοποιούνται και αλέθονται· η σκόνη τήκεται έπειτα σε πυκνές ομάδες. Οι ομάδες επεξεργάζονται έπειτα θερμικά, μορφοποιούνται επεξεργάζονται επιφανειακά και μαγνητίζονται.

Το 2015, η ιαπωνική Nitto Denko ανακοίνωσε την ανάπτυξη μιας νέας μεθόδου τήξης υλικών για μαγνήτες νεοδυμίου. Η μέθοδος The method εκμεταλλεύεται μια "υβριδική τεχνολογία οργανικής/ανόργανης ένωσης" για να σχηματίσει ένα αργιλώδες μείγμα που μπορεί να πάρει διάφορες μορφές για χύτευση. Το πιο σημαντικό είναι, ότι μπορεί να ελεγχθεί ο μη ομοιόμορφος προσανατολισμός του μαγνητικού πεδίου στο τετηγμένο υλικό ώστε να συγκεντρώσει τοπικά το πεδίο, π.χ. να βελτιώσει την απόδοση των ηλεκτρικών κινητήρων. Η μαζική παραγωγή σχεδιάζεται για το 2017.

Από το 2012, 50.000 τόνοι μαγνητών νεοδυμίου παρασκευάζονται επισήμως κάθε χρόνο στην Κίνα και συνολικά περίπου 130.000. Η Κίνα παράγει περισσότερο από το 95% των σπανίων γαιών και παράγει περίπου το περίπου 76% των συνολικών παγκοσμίως μαγνητών σπανίων γαιών.

Οι δεσμευμένοι μαγνήτες νεοδυμίου παρασκευάζονται με τη κλώση υπό τήξη μιας λεπτής ταινίας του κράματος NdFeB. Η ταινία περιέχει τυχαία προσανατολισμένους κόκκους Nd2Fe14B στη νανοκλίμακα. Αυτή η ταινία κονιοποιείται έπειτα σε σωματίδια, αναμειγνύεται με ένα πολυμερές και είτε χυτεύεται με συμπίεση ή με έγχυση σε δεσμευμένους μαγνήτες. Οι δεσμευμένοι μαγνήτες προσφέρουν μικρότερη ένταση ροής από τους συντετηγμένους μαγνήτες, αλλά μπορούν να μορφοποιηθούν στην τελική μορφή σε περίτεχνα μορφοποιημένα σχήματα, όπως συμβαίνει συνήθως με τις διατάξεις Χάλμπαχ (Halbach arrays) ή τόξα, τραπεζοειδή και άλλα σχήματα και διατάξεις. Παράγονται περίπου 5.500 τόνοι από μαγνήτες Neo bonded κάθε χρόνο.

Ιδιότητες

Κατηγορίες
Οι μαγνήτες νεοδυμίου κατηγοριοποιούνται σύμφωνα με τη μέγιστη μαγνητική απόδοση, που σχετίζεται με τη μαγνητική ροή ανά μονάδα όγκου. Πιο υψηλές τιμές δείχνουν πιο ισχυρούς μαγνήτες και κυμαίνονται από N35 μέχρι N52. Τα γράμματα που ακολουθούν την κατηγορία δείχνουν τις μέγιστες θερμοκρασίες λειτουργίας (συχνά τη θερμοκρασία Κιρί), που κυμαίνεται από M (μέχρι 100 βαθμούς Κελσίου) έως EH (200 βαθμούς Κελσίου).

Κατηγορίες των μαγνητών νεοδυμίου:

N35-N52
33M-48M
30H-45H
30SH-42SH
30UH-35UH
28EH-35EH

Μαγνητικές ιδιότητες
Μερικές σημαντικές ιδιότητες που χρησιμοποιούνται για τη σύγκριση μόνιμων μαγνητών είναι: 
Παραμένουσα μαγνήτιση (remanence) (Br) που μετρά την ένταση του μαγνητικού πεδίου
Μαγνητική αντίσταση (coercivity) (Hci) η αντίσταση του υλικού στην απομαγνήτιση
Ενεργειακό περιεχόμενο (energy product) (BHmax) η πυκνότητα της μαγνητικής ενέργειας
Θερμοκρασία Κιρί (TC) η θερμοκρασία στην οποία το υλικό χάνει τον μαγνητισμό του.

Οι μαγνήτες νεοδυμίου έχουν πιο μεγάλη παραμένουσα μαγνήτιση, πολύ πιο μεγάλη μαγνητική αντίσταση και ενεργειακό περιεχόμενο, αλλά έχουν επίσης συχνά πιο χαμηλή θερμοκρασία Κιουρί από άλλους τύπους. Το νεοδύμιο για να διατηρήσει τις μαγνητικές του ιδιότητες σε υψηλές θερμοκρασίες αναμειγνύεται με τέρβιο και δυσπρόσιο. Ο παρακάτω πίνακας συγκρίνει τη μαγνητική συμπεριφορά μαγνητών νεοδυμίου με κάποιους άλλους τύπους μόνιμων μαγνητών.

Φυσικές και μηχανικές ιδιότητες

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.

Εφαρμογές

Υφιστάμενες μαγνητικές εφαρμογές 

Οι μαγνήτες νεοδυμίου έχουν αντικαταστήσει τους μαγνήτες από alnico και φερίτη σε πολλές από τις μυριάδες εφαρμογές στη σύγχρονη τεχνολογία όταν απαιτούνται ισχυροί μόνιμοι μαγνήτες, επειδή η μεγαλύτερή τους ισχύς επιτρέπει τη χρήση μικρότερων και ελαφρύτερων μαγνητών για μια δεδομένη εφαρμογή. Μερικά παραδείγματα είναι:
 Ενεργοποιητές κεφαλών για σκληρούς δίσκους υπολογιστών
 Σβήσιμο κεφαλών για φθηνούς καταγραφείς κασετών
 Μαγνητική τομογραφία
 Μηχανικοί διακόπτες εκκίνησης ηλεκτρονικού τσιγάρου
 Κλείδωμα θυρών
 Ηχεία και ακουστικά
 Μαγνητική διόπτευση και ζεύξεις
 Επιτραπέζια φασματοφωτόμετρα NMR
 Μαγνητικά φίλτρα για την κατακράτηση σιδηρούχων ρινισμάτων σε βιομηχανικές εφαρμογές , π.χ. παραγωγή τροφίμων
 Ηλεκτρικοί κινητήρες
 Ασύρματα εργαλεία
 Σερβοκινητήρες
 Κινητήρες ανύψωσης και αεροσυμπιεστών
 Σύγχρονοι κινητήρες
 Βηματικοί κινητήρες και αδράχτια
 Ηλεκτρικά υποβοηθούμενα τιμόνια (Electrical power steering)
 Κινητήρες για υβριδικά και ηλεκτρικά οχήματα (Hybrid and electric vehicles). Οι ηλεκτρικοί κινητήρες κάθε Toyota Prius απαιτούν 1 χιλιόγραμμο νεοδυμίου.
 Ενεργοποιητές
 Ηλεκτρογεννήτριες για ανεμογεννήτριες (μόνο για αυτές που έχουν μόνιμη μαγνητική διέγερση)
 Οι ανεμογεννήτριες άμεσης μετάδοσης (direct-drive wind turbines) απαιτούν περίπου 600 kg υλικού PM ανά kW
 Παιχνίδια
 οι στρόβιλοι με γρανάζια απαιτούν λιγότερο υλικό PM ανά MW.

Το περιεχόμενο του νεοδυμίου εκτιμάται ως το 31% του βάρους του μαγνήτη.

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).

Παραπομπές

Παραπέρα μελέτη
 MMPA 0100-00, Standard Specifications for Permanent Magnet Materials
 K.H.J. Buschow (1998) Permanent-Magnet Materials and their Applications, Trans Tech Publications Ltd., Switzerland, ISBN 0-87849-796-X
 
 
 
 The Dependence of Magnetic Properties and Hot Workability of Rare Earth-Iron-Boride Magnets Upon Composition.

Εξωτερικοί σύνδεσμοι
 Magnet Man Cool experiments with magnets
 Geeky Rare-Earth Magnets Repel Sharks, Genevieve Rajewski, 05.15.07 , wired.com
 Concern as China clamps down on rare earth exports, Cahal Milmo, 01.02.10, independent.co.uk
 

Μαγνητικά κράματα
Τύποι μαγνητών
Σιδηρομαγνητικά υλικά