История редкоземельных постоянных магнитов для двигателей

Редкоземельные элементы (редкоземельные постоянные магниты) — это 17 металлических элементов в середине периодической таблицы (атомные номера 21, 39 и 57-71), которые обладают необычными флуоресцентными, проводящими и магнитными свойствами, которые делают их несовместимыми с более распространенными металлами, такими как железо) очень полезно, когда сплавлены или смешаны в небольших количествах. С геологической точки зрения редкоземельные элементы не являются особенно редкими. Месторождения этих металлов находятся во многих частях мира, а некоторые элементы присутствуют примерно в таком же количестве, как медь или олово. Однако редкоземельные элементы никогда не обнаруживались в очень высоких концентрациях и часто смешивались друг с другом или с радиоактивными элементами, такими как уран. Химические свойства редкоземельных элементов затрудняют их отделение от окружающих материалов, и эти свойства также затрудняют их очистку. Современные методы производства требуют большого количества руды и производят большое количество опасных отходов для извлечения лишь небольшого количества редкоземельных металлов, а отходы от методов обработки включают радиоактивную воду, токсичный фтор и кислоты.

Самыми ранними обнаруженными постоянными магнитами были минералы, создававшие стабильное магнитное поле. До начала 19 века магниты были хрупкими, нестабильными и изготавливались из углеродистой стали. В 1917 году в Японии была обнаружена кобальтовая магнитная сталь, в которую были внесены улучшения. Характеристики постоянных магнитов продолжали улучшаться с момента их открытия. Для Alnicos (сплавы Al/Ni/Co) в 1930-х годах эта эволюция проявилась в максимальном количестве увеличенного энергетического произведения (BH)max, что значительно улучшило добротность постоянных магнитов, а при заданном объеме магнитов максимальная плотность энергии может быть преобразована в мощность, которую можно использовать в машинах, использующих магниты.

Первый ферритовый магнит был случайно обнаружен в 1950 году в физической лаборатории, принадлежащей Philips Industrial Research в Нидерландах. Ассистент синтезировал его по ошибке — он должен был подготовить другой образец для изучения в качестве полупроводникового материала. Было обнаружено, что он на самом деле был магнитным, поэтому его передали группе исследователей магнитного поля. Из-за его хороших характеристик в качестве магнита и более низкой себестоимости. Таким образом, это был продукт, разработанный Philips, который положил начало быстрому увеличению использования постоянных магнитов.

В 1960-х годах были созданы первые редкоземельные магниты.(редкоземельные постоянные магниты)изготавливались из сплавов лантанидного элемента иттрия. Это самые сильные постоянные магниты с высокой намагниченностью насыщения и хорошей устойчивостью к размагничиванию. Хотя они дороги, хрупки и неэффективны при высоких температурах, они начинают доминировать на рынке по мере того, как их применение становится все более актуальным. Владение персональными компьютерами стало широко распространенным в 1980-х годах, что означало высокий спрос на постоянные магниты для жестких дисков.

Такие сплавы, как самарий-кобальт, были разработаны в середине 1960-х годов с переходными металлами и редкоземельными элементами первого поколения, а в конце 1970-х цена на кобальт резко выросла из-за нестабильных поставок в Конго. В то время самые высокие самариево-кобальтовые постоянные магниты (BH)max были самыми высокими, и исследовательскому сообществу пришлось заменить эти магниты. Несколько лет спустя, в 1984 году, разработка постоянных магнитов на основе Nd-Fe-B была впервые предложена Сагава и др. Использование технологии порошковой металлургии в Sumitomo Special Metals, использование процесса формования из расплава от General Motors. Как показано на рисунке ниже, (BH)max улучшилась за почти столетие, начиная с ≈1 MGOe для стали и достигая примерно 56 MGOe для магнитов NdFeB за последние 20 лет.

Устойчивое развитие промышленных процессов в последнее время стало приоритетом, и редкоземельные элементы, которые были признаны странами в качестве основного сырья из-за их высокого риска поставок и экономической важности, открыли области для исследований новых постоянных магнитов, не содержащих редкоземельные элементы. Одно из возможных направлений исследований — оглянуться на самые ранние из разработанных постоянных магнитов, ферритовых магнитов, и продолжить их изучение с использованием всех новых инструментов и методов, доступных в последние десятилетия. Несколько организаций в настоящее время работают над новыми исследовательскими проектами, которые надеются заменить редкоземельные магниты более экологичными и эффективными альтернативами.