تاریخچه آهنرباهای دائمی خاکی کمیاب برای موتورها

عناصر خاکی کمیاب (آهنرباهای دائمی خاکی کمیاب) 17 عنصر فلزی در وسط جدول تناوبی (اعداد اتمی 21، 39، و 57-71) هستند که دارای خواص فلورسنت، رسانایی و مغناطیسی غیر معمول هستند که آنها را با فلزات رایج تری مانند آهن ناسازگار می کند. آلیاژ یا مخلوط در مقادیر کم. از نظر زمین شناسی، عناصر خاکی کمیاب به خصوص کمیاب نیستند. رسوبات این فلزات در بسیاری از نقاط جهان یافت می شود و برخی از عناصر تقریباً به اندازه مس یا قلع وجود دارند. با این حال، عناصر خاکی کمیاب هرگز در غلظت های بسیار بالا یافت نشده اند و اغلب با یکدیگر یا با عناصر رادیواکتیو مانند اورانیوم مخلوط می شوند. خواص شیمیایی عناصر کمیاب خاکی جدا شدن از مواد اطراف را با مشکل مواجه می کند و همچنین این ویژگی ها باعث می شود که خالص سازی آنها دشوار باشد. روش‌های تولید کنونی به مقادیر زیادی سنگ معدن نیاز دارند و مقادیر زیادی زباله خطرناک برای استخراج تنها مقادیر کمی از فلزات خاکی کمیاب، با ضایعات حاصل از روش‌های فرآوری شامل آب رادیواکتیو، فلوئور سمی و اسیدها تولید می‌کنند.

اولین آهنرباهای دائمی کشف شده مواد معدنی بودند که میدان مغناطیسی پایداری ایجاد می کردند. تا اوایل قرن نوزدهم، آهنرباها شکننده، ناپایدار و از فولاد کربنی ساخته شده بودند. در سال 1917، ژاپن فولاد آهنربای کبالت را کشف کرد که پیشرفت هایی را ایجاد کرد. عملکرد آهنرباهای دائمی از زمان کشف آنها همچنان بهبود یافته است. برای Alnicos (آلیاژهای Al/Ni/Co) در دهه 1930، این تکامل در حداکثر تعداد محصول انرژی افزایش یافته (BH)max آشکار شد که ضریب کیفیت آهنرباهای دائمی را تا حد زیادی بهبود بخشید و برای حجم معینی از آهنرباها، حداکثر چگالی انرژی را می توان به توانی تبدیل کرد که می تواند در ماشین هایی با استفاده از آهنربا استفاده شود.

اولین آهنربای فریتی به طور تصادفی در سال 1950 در آزمایشگاه فیزیک متعلق به تحقیقات صنعتی فیلیپس در هلند کشف شد. دستیار به اشتباه آن را سنتز کرد - او قرار بود نمونه دیگری را برای مطالعه به عنوان یک ماده نیمه هادی آماده کند. مشخص شد که در واقع مغناطیسی است، بنابراین در اختیار تیم تحقیقاتی مغناطیسی قرار گرفت. به دلیل عملکرد خوب آن به عنوان آهنربا و هزینه تولید کمتر. به این ترتیب، این یک محصول توسعه یافته توسط فیلیپس بود که آغازی برای افزایش سریع استفاده از آهنرباهای دائمی بود.

در دهه 1960، اولین آهنرباهای خاکی کمیاب(آهنرباهای دائمی خاکی کمیاب)از آلیاژهای عنصر لانتانید، ایتریوم ساخته شده اند. آنها قوی ترین آهنرباهای دائمی با مغناطیس اشباع بالا و مقاومت خوبی در برابر مغناطیس زدایی هستند. اگرچه آنها در دماهای بالا گران، شکننده و ناکارآمد هستند، اما با مرتبط‌تر شدن کاربردهایشان شروع به تسلط بر بازار کرده‌اند. مالکیت کامپیوترهای شخصی در دهه 1980 گسترده شد، که به معنای تقاضای زیاد برای آهنرباهای دائمی برای هارد دیسک بود.

آلیاژهایی مانند ساماریوم-کبالت در اواسط دهه 1960 با اولین نسل از فلزات واسطه و خاکی کمیاب توسعه یافتند و در اواخر دهه 1970 قیمت کبالت به دلیل عرضه ناپایدار در کنگو به شدت افزایش یافت. در آن زمان، بالاترین آهنرباهای دائمی ساماریم- کبالت (BH)max بالاترین بود و جامعه پژوهشی مجبور به جایگزینی این آهنرباها شد. چند سال بعد، در سال 1984، توسعه آهنرباهای دائمی بر اساس Nd-Fe-B برای اولین بار توسط Sagawa و همکاران ارائه شد. با استفاده از فناوری متالورژی پودر در Sumitomo Special Metals، با استفاده از فرآیند ریسندگی مذاب جنرال موتورز. همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است، (BH)max در طول نزدیک به یک قرن بهبود یافته است، از ≈1 MGOe برای فولاد شروع شده و به حدود 56 MGOe برای آهنرباهای NdFeB در 20 سال گذشته رسیده است.

پایداری در فرآیندهای صنعتی اخیراً به یک اولویت تبدیل شده است و عناصر کمیاب خاکی که به دلیل ریسک بالای عرضه و اهمیت اقتصادی توسط کشورها به عنوان مواد خام اصلی شناخته شده‌اند، زمینه‌هایی را برای تحقیق در مورد آهنرباهای دائمی جدید کمیاب عاری از خاک باز کرده است. یکی از جهت‌گیری‌های احتمالی تحقیقاتی، نگاه کردن به اولین آهن‌رباهای دائمی توسعه‌یافته، آهنرباهای فریت، و مطالعه بیشتر آنها با استفاده از تمام ابزارها و روش‌های جدید موجود در دهه‌های اخیر است. چندین سازمان در حال حاضر روی پروژه های تحقیقاتی جدیدی کار می کنند که امیدوارند آهنرباهای خاکی کمیاب را با جایگزین های سبزتر و کارآمدتر جایگزین کنند.