Seltenerdmagnet - Rare-earth magnet

Ferrofluid auf Glas, darunter ein Seltenerdmagnet magnet

Seltenerdmagnete sind starke Permanentmagnete aus Legierungen von Seltenerdelementen . In den 1970er und 1980er Jahren entwickelt, sind Seltenerd-Magnete die stärkste Art von Permanentmagneten, die hergestellt werden und deutlich stärkere Magnetfelder erzeugen als andere Arten wie Ferrit- oder Alnico- Magnete. Das typischerweise von Seltenerdmagneten erzeugte Magnetfeld kann 1,4 Tesla überschreiten , während Ferrit- oder Keramikmagnete typischerweise Felder von 0,5 bis 1 Tesla aufweisen.

Es gibt zwei Arten: Neodym-Magnete und Samarium-Kobalt-Magnete . Seltenerd-Magnete sind extrem spröde und auch anfällig für Korrosion , daher werden sie normalerweise plattiert oder beschichtet , um sie vor Bruch, Absplittern oder Zerbröckeln zu Pulver zu schützen.

Die Entwicklung von Seltenerdmagneten begann um 1966, als KJ Strnat und G. Hoffer vom Materiallabor der US Air Force entdeckten, dass eine Legierung aus Yttrium und Kobalt , YCo 5 , die bei weitem größte magnetische Anisotropiekonstante aller damals bekannten Materialien aufwies .

Der Begriff „Seltene Erden“ können irreführend sein, da einige dieser Metalle , wie sein können reichlich in der Erdkruste als Zinn oder Blei, aber seltene Erden Erze nicht existiert in Nähte (wie Kohle oder Kupfer), so dass in einem bestimmten Kubikkilometer von Kruste sind sie "selten". Die Hauptquelle ist derzeit China . Einige Länder stufen Seltenerdmetalle als strategisch wichtig ein, und die jüngsten chinesischen Exportbeschränkungen für diese Materialien haben einige dazu veranlasst, Forschungsprogramme zur Entwicklung starker Magnete zu initiieren, die keine Seltenerdmetalle benötigen.

Neodym-Magnete (kleine Zylinder) zum Heben von Stahlkugeln. Wie hier gezeigt, können Seltenerdmagnete leicht das Tausendfache ihres Eigengewichts heben.

Erklärung der Stärke

Die Seltenerdelemente ( Lanthanoide ) sind ferromagnetische Metalle, d . h. sie können wie Eisen zu Dauermagneten magnetisiert werden , ihre Curie-Temperaturen (die Temperatur, über der ihr Ferromagnetismus verschwindet) liegen jedoch unter Raumtemperatur, also in reiner Form ihre Magnetismus tritt nur bei niedrigen Temperaturen auf. Sie bilden jedoch Verbindungen mit Übergangsmetallen wie Eisen , Nickel und Kobalt , und einige dieser Verbindungen haben Curie-Temperaturen weit über Raumtemperatur. Aus diesen Verbindungen werden Seltenerdmagnete hergestellt.

Die größere Stärke von Seltenerd-Magneten ist hauptsächlich auf zwei Faktoren zurückzuführen:

  • Erstens haben ihre kristallinen Strukturen eine sehr hohe magnetische Anisotropie . Dies bedeutet, dass ein Kristall des Materials vorzugsweise entlang einer bestimmten Kristallachse magnetisiert wird, jedoch in anderen Richtungen sehr schwer zu magnetisieren ist. Wie andere Magnete bestehen auch Seltenerd-Magnete aus mikrokristallinen Körnern, die bei der Herstellung in einem starken Magnetfeld ausgerichtet werden, sodass ihre magnetischen Achsen alle in die gleiche Richtung zeigen. Der Widerstand des Kristallgitters gegen das Drehen seiner Magnetisierungsrichtung verleiht diesen Verbindungen eine sehr hohe magnetische Koerzitivfeldstärke (Widerstand gegen Entmagnetisierung), so dass das starke Entmagnetisierungsfeld innerhalb des fertigen Magneten die Magnetisierung des Materials nicht verringert .
  • Zweitens können Atome von Seltenerdelementen hohe magnetische Momente aufweisen . Ihre Orbitalelektronenstrukturen enthalten viele ungepaarte Elektronen ; in anderen Elementen existieren fast alle Elektronen in Paaren mit entgegengesetzten Spins, sodass sich ihre Magnetfelder aufheben, aber in Seltenen Erden gibt es viel weniger magnetische Aufhebung. Dies ist eine Folge der unvollständigen Füllung der f-Schale , die bis zu 7 ungepaarte Elektronen enthalten kann. In einem Magneten sind es die ungepaarten Elektronen, die so ausgerichtet sind, dass sie sich in die gleiche Richtung drehen, die das Magnetfeld erzeugen. Dies verleiht den Materialien eine hohe Remanenz ( Sättigungsmagnetisierung J s  ). Die maximale Energiedichte B·H max ist proportional zu J s 2 , sodass diese Materialien das Potenzial haben, große Mengen magnetischer Energie zu speichern. Das magnetische Energieprodukt B·H max von Neodym-Magneten ist volumenmäßig etwa 18-mal größer als bei "normalen" Magneten. Dadurch können Seltenerdmagnete kleiner sein als andere Magnete mit gleicher Feldstärke.

Magnetische Eigenschaften

Einige wichtige Eigenschaften, die zum Vergleich von Permanentmagneten verwendet werden, sind: Remanenz ( B r ), die die Stärke des Magnetfelds misst; Koerzitivfeldstärke ( H ci ), die Beständigkeit des Materials gegen Entmagnetisierung; Energieprodukt ( B·H max ), die Dichte der magnetischen Energie; und Curie-Temperatur ( T C ), die Temperatur, bei der das Material seinen Magnetismus verliert. Seltenerdmagnete haben eine höhere Remanenz, eine viel höhere Koerzitivfeldstärke und ein viel höheres Energieprodukt, aber (für Neodym) eine niedrigere Curie-Temperatur als andere Typen. Die folgende Tabelle vergleicht die magnetische Leistung der beiden Arten von Seltenerdmagneten, Neodym (Nd 2 Fe 14 B) und Samarium-Kobalt (SmCo 5 ), mit anderen Arten von Permanentmagneten.

Magnet Vorbereitung B r
( T )		 H ci
(k A /m)		 B·H max
(k J /m 3 )		 T C
( ° C )
Nd 2 Fe 14 B gesintert 1,0–1,4 750–2000 200–440 310–400
Nd 2 Fe 14 B gebunden 0,6–0,7 600–1200 60–100 310–400
SmCo 5 gesintert 0,8–1,1 600–2000 120–200 720
Sm(Co,Fe,Cu,Zr) 7 gesintert 0,9–1,15 450–1300 150–240 800
Alnico gesintert 0,6–1,4 275 10–88 700–860
Sr-Ferrit gesintert 0,2–0,4 100–300 10–40 450
Stabmagnet aus Eisen (Fe) geglüht ? 800 ? 770

Quelle:

Typen

Samarium-Kobalt

Hauptartikel: Samarium-Kobalt-Magnet

Samarium-Kobalt-Magnete (chemische Formel: Sm Co 5 ), die erste erfundene Familie von Seltenerd-Magneten, werden aufgrund ihrer höheren Kosten und geringeren Magnetfeldstärke weniger verwendet als Neodym-Magnete. Samarium-Kobalt hat jedoch eine höhere Curie-Temperatur , was eine Nische für diese Magnete in Anwendungen schafft, in denen eine hohe Feldstärke bei hohen Betriebstemperaturen benötigt wird . Sie sind sehr oxidationsbeständig, aber gesinterte Samarium-Kobalt-Magnete sind spröde und anfällig für Absplitterungen und Risse und können bei Temperaturschock brechen .

Neodym

Hauptartikel: Neodym-Magnet
Neodym-Magnet mit Vernickelung größtenteils entfernt

Neodym - Magneten, in den 1980er Jahren erfunden wird , sind die stärkste und günstigste Art von Seltenerd- Magneten . Sie bestehen aus einer Legierung aus Neodym , Eisen und Bor ( Nd 2 Fe 14 B ), manchmal auch als NIB abgekürzt. Neodym-Magnete werden in zahlreichen Anwendungen eingesetzt, die starke, kompakte Permanentmagnete erfordern, wie z. B. Elektromotoren für kabellose Werkzeuge , Festplattenlaufwerke , magnetische Niederhalter und Schmuckverschlüsse. Sie haben die höchste magnetische Feldstärke und eine höhere Koerzitivfeldstärke (was sie magnetisch stabil macht), aber sie haben eine niedrigere Curie-Temperatur und sind anfälliger für Oxidation als Samarium-Kobalt-Magnete.

Korrosion kann ungeschützte Magneten bewirken Splitt mit einer Oberflächenschicht oder zu zerbröckeln in ein Pulver aus. Die Verwendung von Schutzoberflächenbehandlungen , wie beispielsweise Gold , Nickel , Zink und Zinn - Plattierung und Epoxid harz Beschichtung kann Korrosionsschutz bereitzustellen; Die meisten Neodym-Magnete verwenden eine Vernickelung , um einen robusten Schutz zu bieten.

Ursprünglich beschränkten die hohen Kosten dieser Magnete ihre Verwendung auf Anwendungen, die Kompaktheit in Verbindung mit hoher Feldstärke erfordern. Sowohl die Rohstoffe als auch die Patentlizenzen waren teuer. Seit den 1990er Jahren sind NIB-Magnete jedoch immer günstiger geworden, und ihre geringeren Kosten haben neue Verwendungen wie magnetische Konstruktionsspielzeuge inspiriert .

Gefahren

Die größere Kraft, die von Seltenerd-Magneten ausgeübt wird, schafft Gefahren, die bei anderen Magnettypen nicht zu sehen sind. Magnete, die größer als einige Zentimeter sind, sind stark genug, um zwischen zwei Magneten oder einem Magneten und einer Metalloberfläche eingeklemmte Körperteile zu verletzen und sogar Knochenbrüche zu verursachen. Magnete, die sich zu nahe kommen, können mit genügend Kraft aufeinander treffen, um das spröde Material abzusplittern und zu zertrümmern, und die herumfliegenden Späne können Verletzungen verursachen. Ab 2005 führten starke Magnete, die von Spielzeug oder magnetischen Baukästen abbrachen, zu Verletzungen und Todesfällen. Bei Kleinkindern, die mehrere Magnete verschluckt haben, wurde eine Falte des Verdauungstrakts zwischen den Magneten eingeklemmt, was zu Verletzungen und in einem Fall zu Darmperforationen, Sepsis und zum Tod führte.

2007 wurde ein freiwilliger Standard für Spielzeug verabschiedet, der starke Magnete dauerhaft verschmilzt, um ein Verschlucken zu verhindern und die Stärke nicht verbundener Magnete zu begrenzen bei 3.617 im Jahr 2012. Als Reaktion darauf verabschiedete die US Consumer Product Safety Commission im Jahr 2012 eine Regel zur Beschränkung der Größe von Seltenerdmagneten in Konsumgütern, die jedoch im November 2016 durch eine Entscheidung eines US-Bundesgerichts in einem von ihr eingereichten Fall aufgehoben wurde verbleibenden Hersteller. Nach der Aufhebung der Regel stieg die Zahl der Einnahmevorfälle im Land stark an und wird 2019 auf über 1.500 geschätzt.

Weitere Informationen: Neodym-Magnetspielzeug

Anwendungen

Seit ihre Preise in den 1990er Jahren wettbewerbsfähig wurden, haben Neodym-Magnete Alnico- und Ferrit- Magnete in den vielen Anwendungen in der modernen Technologie, die leistungsstarke Magnete erfordern, ersetzt. Ihre größere Stärke ermöglicht die Verwendung kleinerer und leichterer Magnete für eine bestimmte Anwendung.

Häufige Anwendungen

Neodym-Magnetkugeln

Häufige Anwendungen von Seltenerdmagneten sind:

  • Computer -Festplatten
  • Generatoren für Windkraftanlagen
  • Lautsprecher / Kopfhörer
  • Fahrraddynamo
  • MRT-Scanner
  • Angelrolle Bremsen
  • Permanentmagnetmotoren in Akkuwerkzeugen
  • Hochleistungs-AC- Servomotoren
  • Fahrmotoren und integrierte Starter-Generatoren in Hybrid- und Elektrofahrzeugen
  • mechanisch angetriebene Taschenlampen mit Seltenerdmagneten zur Erzeugung von Elektrizität in einer Schüttelbewegung oder rotierenden (handkurbelbetriebenen) Bewegung
  • industrielle Anwendungen wie die Aufrechterhaltung der Produktreinheit, der Geräteschutz und die Qualitätskontrolle
  • Einfangen von feinen Metallpartikeln in Schmierölen (Kurbelgehäuse von Verbrennungsmotoren, auch Getrieben und Differentialen), um diese Partikel von der Zirkulation fernzuhalten, damit sie keinen abrasiven Verschleiß an beweglichen Maschinenteilen verursachen können

Andere Anwendungen

Andere Anwendungen von Seltenerdmagneten sind:

Seltenerdfreie Permanentmagnete

Das Energieministerium der Vereinigten Staaten hat die Notwendigkeit erkannt, Ersatzstoffe für Seltenerdmetalle in der Permanentmagnettechnologie zu finden, und hat damit begonnen, solche Forschungen zu finanzieren. Die Advanced Research Projects Agency-Energy (ARPA-E) hat ein REACT-Programm (Rare Earth Alternatives in Critical Technologies) gesponsert, um alternative Materialien zu entwickeln. Im Jahr 2011 vergab ARPA-E 31,6 Millionen Dollar zur Finanzierung von Rare-Earth-Ersatzprojekten.

Recyclingbemühungen

Das ETN-Demeter-Projekt der Europäischen Union (European Training Network for the Design and Recycling of Rare-Earth Permanent Magnet Motors and Generators in Hybrid and Full Electric Vehicles) untersucht die nachhaltige Gestaltung von Elektromotoren in Fahrzeugen. Sie konstruieren zum Beispiel Elektromotoren, bei denen die Magnete zum Recycling der Seltenerdmetalle leicht entfernt werden können.

Die Europäische Union ‚s European Research Council auch Principal Investigator Prof. Thomas Zemb ausgezeichnet und Co-Principal Investigator, Dr. Jean-Christophe P. Gabriel, ein Advanced Research Grants für das Projekt„Rare Earth Element RECYCLING mit Low schädlichen Emissionen : REE-CYCLE", das darauf abzielte, neue Verfahren für das Recycling von Seltenen Erden zu finden .

Siehe auch

  • Kreislaufwirtschaft  – Regeneratives System, in dem Ressourceneinsatz und Abfall, Emissionen und Energieverluste minimiert werden
  • Lanthanoid  – Dreiwertige metallische Seltenerdelemente
  • Magnetfischen  – Suche in Freiwassergewässern nach ferromagnetischen Objekten
  • Recycling  – Umwandlung von Abfallstoffen in neue Produkte
  • Samarium-Kobalt-Magnet  – Starker Permanentmagnet aus einer Legierung aus einem Seltenerdelement und Kobalt

Verweise

Weiterlesen

Externe Links