Neodüümmagnet

Allikas: Vikipeedia
Neodüümmagnet kõvaketta täituri kronsteinil
Nikliga kaetud neodüümmagneti kuubikud
Vasakul: transmissioonelektronmikroskoopia pilt Nd2Fe14B kristallstruktruurist. Paremal: kristallstruktruuri aatommudel, kus raua aatomid on tähistatud punaselt, neodüüm siniselt ja boor roheliselt.

Neodüümmagnet (ka NdFeB, NIB, Neo, neodüüm-raud-boor magnet, neodüümiummagnet, neodüümium-magnet, Nd-magnet, „supermagnet“) on üks tugevamaid püsimagneteid tänapäeval, mis põhineb neodüümi, raua ja boori sulamil (tetragonaalne kristallstruktuur Nd2Fe14B). Maksimaalne energiatihedus |BH|max on 512 kJ/m3 (64 MGOe).[1] Arendati välja vahemikus 1982–1984, kus selle tegelesid samaaegselt General Motors (USA), Sumitomo Special Metals (Jaapan) ja Hiina Teaduste Akadeemia.[2][3][4] Paljude tehniliste lahenduste miniaturiseerumine on olnud võimalik tänu neodüümmagnetile, näiteks elektritööriistade mootorid, kõvaketta ajamid, magnetsulgurid, kõlarites kasutatavad elektrodünaamilised valjuhääldid.

Neodüümmagnetid valmistatakse kahel erineval meetodil[5][6][7]:

  • Pulbermetallurgial põhinev paagutamine (pulbriks jahvatatud sulam kuumpressitakse orienteerivas magnetväljas ja paagutatakse tihedaks; sintered magnet)
  • Polümeeriga sidumise meetod (sulaketramisel saadud materjalist jahvatatud pulber segatakse polümeeriga ja vormitakse kas survevaluga või injektsioon-vormimisel; bonded magnet)

Paagutamine annab parimad magnetilised omadused, kuid seab piirangud magneti kujule ja vajab kindlasti pinnakatmist, samas polümeeriga sidumise meetod võimaldab saada erikujulisi detaile ning paremaid mehaanilisi omadusi, kuid magnetilised omadused on paagutatud magnetitest nõrgemad.[8]

Neodüümmagnetite puuduseks võrreldes muud tüüpi magnetitega on limiteeritud töötemperatuur (80–230 °C)[9] ja katmata pindade vastuvõtlikkus korrosioonile.

Iseloomustus[muuda | muuda lähteteksti]

NdFeB magnetilised domeenid, mis on tehtud nähtavaks Kerri mikroskoobiga. Sulam koosneb mikroskoopilistest kristalliteradest. Domeenidena eristuvad heledad ja tumedad triibud igas terakeses. Magnetilise anisotroopia tõttu on terad magnetiseerunud piki eelistatud kristallograafilist suunda ja triibud pildil moodustuvad paralleelselt selle suunaga. Enamikul pildil olevatest teradest on magnetiseerumise suund paralleelne pinnaga, aga joonega ümbritsetud domeenil on suund vertikaalne, nii et ainult domeenide otsad on näha.
Ferrovedelik klaasplaadil, mille all asub neodüümmagnet.

Neodüüm (neodüümium, neodymium) on ferromagnetiline metall (täpsemalt antiferromagnetiliste omadustega)[10], kuid tema Curie punkt (temperatuur, millest ülespoole ferromagnetism kaob) on 19 K (−254 °C), seega neodüümi magnetilised omadused ilmnevad ainult ülimadalatel temperatuuridel[11]. Samas neodüümi sulamid üleminekumetallidega (näiteks raud) omavad palju kõrgemaid Curie temperatuure ja tänu sellele saab valmistada neodüümmagneteid.

Neodüümmagnetil on tugevam magnetjõud kui näiteks ferriitmagnetil või AlNiCo magnetil. Neodüümmagneti magnetvälja tugevus võib olla üle 1,4 tesla [12] kui tüüpise keraamilise ferriitmagneti magnetväli on umbes 0,4 teslat [13]. (Võrdluseks: Maa magnetvälja tugevus on enamasti 25–65 mikroteslat).[14]

Neodüümmagnetit iseloomustab kõrge vastupidavus demagnetiseerimisele. Samas on (eriti paagutatud) materjal vastuvõtlik korrosioonile, seetõttu kaetakse neodüümmagneteid kas nikli, nikli-vase-nikli, tsingi, epoksiidiga, PTFE jm [15].

Neodüümmagneti tugevus tuleneb mitmest faktorist. Sulami Nd2Fe14B kristallstruktuur omab erakordselt kõrget uniaksiaalset magnetokristallilist anisotroopiat (anisotroopia konstant K1 4,5 MJ/m3)[16][17] See tähendab, et esineb magneetumise tendents joonduda eelistatud kristallograafilise suuna järgi ehk kristall eelistab magnetiseeruda piki kindlat kristallitelge, kuid seda on väga raske magneetida teistes suundades. Kord magnetiseeritult tuleb vastupidises suunas magneetimiseks rakendada tugevat vastassuunalist magnetvälja.

Neodüümmagnet koosneb kristallilistest teradest, millede magnetteljed on suunatud kõik ühte suunda (toimub tootmisprotsessi käigus võimsas magnetväljas[18]). Kristallvõre vastupidavus suunamuutuse suhtes annab ühendile väga kõrge koertsitiivjõu (vastupidavus demagnetiseerumisele).

Neodüümi aatomil saab olla suur magnetiline dipoolmoment, kuna tal võib olla kuni 7 paardumata elektroni (lantanoidide 4f orbitaalide elektronide läbitungimisefekti mõju, mistõttu ei saa orbitaalid kattuda ligandide orbitaalidega ja ei osale sidemete moodustamisel) [19] võrreldes 3 paardumata elektroniga raua puhul. Paardumata elektronid magnetmaterjalis, mis on joondunud spini järgi samasse suunda, genereerivad magnetvälja. See annab Nd2Fe14B ühendile kõrge küllastusmagneetumuse Js (µ0MS) 1,6 T. [20]. Kuna maksimaalne magneetumisenergia (energiatihedus) on võrdeline küllastusmagneetumuse ruuduga, siis sellisel magnetil on suur potentsiaal omada kõrget magneetumisenergiat (|BH|max = 512 kJ/m3 (64 MGOe)) [1] [21]

Tegelikkuses saavutatavad neodüümmagneti magnetilised omadused sõltuvad sulami koostisest, mikrostruktuurist ja valmistamise tehnoloogiast.

Omadused[muuda | muuda lähteteksti]

Magnetilised omadused[muuda | muuda lähteteksti]

Püsimagnetite omadused, mida kasutatakse magnetite omavahelises võrdluses:

  • Jääkmagneetumus (jääkinduktsioon) (Br), mõõdab magnetjõu tugevust (teslades, T)
  • Koertsiivsus (Hc) on vastasmärgiga ehk vastassuunaline magnetväli, mis kahandab induktsiooni nullväärtuseni ehk materjali vastupanu demagnetiseerimisele (kiloamprit meetri kohta ehk kA/m)
  • Energiatihedus ehk maksimaalne magneetumusenergia ehk millise väärtuseni on võimalik magnetit magneetida (|BH|max)
  • Curie temperatuur (Tc) ehk Curie punkt on temperatuur, kus materjal kaotab oma magneetumuse ehk soojusenergia muutub piisavalt kõrgeks, et lõhkuda magnetmomentide koosorientatsiooni.

Neodüümmagnetitel on kõrgem jääkmagneetumus, palju kõrgem koertsiivsus ja energiatihedus kui teist tüüpi magnetitel, kuid palju madalam Curie temperatuur. Erisulamitega, mis sisaldavad terbiumi ja düsproosiumi, on võimalik saavutada kõrgemaid Curie temperatuure [22].

Alljärgnev tabel võrdleb magnetilisi omadusi neodüümmagnetite ja teist tüüpi magnetite vahel:

Magnetmaterjal Br

(T)

Hci

(kA/m)

BHmax

(kJ/m3)

Tc
(°C) (°F)
Nd2Fe14B (paagutatud) 1,0–1,4 750–2000 200–440 310–400 590–752
Nd2Fe14B (polümeeriga seotud) 0,6–0,7 600–1200 60–100 310–400 590–752
SmCo5 (paagutatud) 0,8–1,1 600–2000 120–200 720 1328
Sm(Co, Fe, Cu, Zr)7 (paagutatud) 0,9–1,15 450–1300 150–240 800 1472
AlNiCo (paagutatud) 0,6–1,4 275 10–88 700–860 1292–1580
Sr-ferriit (paagutatud) 0,2–0,78 100–300 10–40 450 842

Füüsikalised ja mehaanilised omadused[muuda | muuda lähteteksti]

Füüsikaliste omaduste võrdlus paagutatud neodüümmagneti ja samaarium-koobaltmagneti vahel.

Omadus Neodüümmagnet Sm-Co magnet
Jääkmagneetuvus (T) 1–1,4 0,9–1,15
Koertsiivsus (kA/m) 750–2000 450–1300
Jääkmagneetuvuse temperatuurikoefitsient (%/K) −0,12 −0,03
Koertsiivsuse temperatuurikoefitsient (%/K) −0,55..–0,65 −0,15..–0,30
Curie temperatuur (°C) 320 800
Tihedus (g/cm3) 7,3–7,5 8,2–8,4
Soojuspaisumise koefitsient, magnetiseerumise suund (1/K) 5,2×10−6 5,2×10−6
Soojuspaisumise koefitsient, magnetiseerumise normaali suund(1/K) −0,8×10−6 11×10−6
Painutustugevus (N/mm2) 250 150
Kokkusurumistugevus (N/mm2) 1100 800
Tõmbetugevus (N/mm2) 75 35
Vickers'i kõvadus (HV) 550–650 500–650
Elektriline takistus (Ω·cm) (110–170)×10−6 86×10−6

Klassid[muuda | muuda lähteteksti]

Neodüümmagnetid on jaotatud klassidesse vastavalt nende energiatihedusele, sõltuvalt millise väärtuseni on võimalik neid maksimaalselt magneetida (|BH|max). Klassid on määratletud tugevusühiku Mega-Gauss Oersted (MGOe) järgi. Klassid on reastatud alates nõrgimast tugevusest, näiteks N35 kuni kõige tugevamani N52. Kõrgemad klasside numbrid tähistavad tugevamaid magneteid. Tähed, mis järgnevad klassile, näitavad maksimaalset kasutustemperatuuri (näiteks M tähistab maksimaalset kasutustemperatuuri kuni 100 °C ja AH kuni 230 °C, ilma tähiseta klassid kuni 80 °C).

Erinevad neodüümmagnetite (paagutatud) klassid [9]

  • N35 – N52
  • N33M – N48M
  • N30H – N45H
  • N30SH – N42SH
  • N30UH – N35UH
  • N28EH – N35EH
  • N28AH – 33AH

Polümeeriga segamise tehnoloogial põhinevate magnetite klassid algavad tähega B (bonded), siis järgneb tähis N (neodüüm) ning kaks esimest näitavad magneti tugevust (MGOe) ning kaks viimast numbrit koertsitiivsust (kOe).

Näidis erinevate neodüümmagnetite (polümeeriga sidumise meetod) klassidest [23][24]

  • BN0406
  • BN0607
  • BN0707
  • BN0908
  • BN0908
  • BN0913
  • BN0910
  • BN1008
  • BN1108
  • BN1209
  • BN1210
  • BN1206

Ajalugu[muuda | muuda lähteteksti]

Molycorp kaevanduskompleks Mojave kõrbes, Mountain Pass, California, USA. Ainus haruldaste muldmetallide kaevandus Põhja-Ameerikas, mis tänaseks on suletud. [25]
Kaevandus, mis annab peaaegu poole maailmas toodetavatest haruldastest muldmetallidest: Baiyun Ebo, Sise-Mongoolia, Hiina. Pilt katab ala suurusega 15 x 19 kilomeetrit ja pildistatud kõrglahutusliku radiomeetriga (Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer) NASA uurimissateliidilt Terra.

1960ndatel arendati välja haruldasel muldmetallil, samaariumil, põhinev magnet: samaarium-koobalt magnet (SmCo), mis oli esimene nii tugev püsimagnet [26]. Kuna selle tootmine muutus väga kalliks, otsiti alternatiive ja aastatel 1982–1984 arendasid samaaegselt General Motors (USA) ja Sumitomo Special Metals (Jaapan) ja Hiina Teaduste Akadeemia välja [2][3][4] neodüümil põhineva magnetmaterjali. General Motors arendas sulaketrus (melt-spinning) meetodit kasutades nanokristallilised Nd2Fe14B magnetid, samal ajal kui Sumitomo töötas maksimaalse tihedusega paagutatud (sintering) Nd2Fe14B magnetite kallal.

General Motors rajas 1986 oma leiutistel põhineva ettevõtte Magnaquench, mis varustas sulakedratud ning jahvatatud Nd2Fe14B pulbriga tootjaid, kes kasutasid magnetite valmistamiseks polümeeridega sidumise meetodit. Magnaquench sai hiljem Neo Material Technology, Inc. osaks, mis hiljem liideti ettevõttega Molycorp.

Sumitomo Special Metals sai hiljem Hitachi Corporation osaks ning toodab ja laseb litsentsi alusel toota paagutatud Nd2Fe14B magneteid. Hitachi käes on üle 600 patendi neodüümmagnetite kasutamise kohta.[27]

Sumimoto ja Magnequench omavad rist-litsentsi kokkulepet, mis reguleerib neodüümmagnetite müüki USA-s, samas mitmete enimkasutatavate ühendite patendid on tänaseks aegunud.[28]

Jätkusuutlikkus[muuda | muuda lähteteksti]

Neodüümmagneteid leiab tänapäeval paljudest tehnoloogilistest lahendustest[29], aga vastavalt prognoosidele ei suudeta tulevikus olemasolevate kaevanduste baasil enam kasvavat nõudlust tooraine järele täita.[30] Näiteks tuulegeneraatorite kohta on antud järgnev hinnang: iga tuulegeneraatori megavatt vajab 200 kg neodüümi.[31] Hiljutine MIT uuring ennustab, et järgneva 25 aasta jooksul kasvab neodüümi nõudlus 700 protsenti. [32] Neodüümi leidub tegelikult Maal suhtelises külluses[33], kuid näiteks merealuste kaevanduste puhul kerkivad esile keskkonnakaitselised probleemid. Alternatiivina on kaalutakse isegi haruldaste muldmetallide kaevandamist asteroidelt.[31] Lahenduseks oleks ka taaskasutus, kuid see ei ole hetkel veel majanduslikult otstarbekas.[34]

Neodüümmagnetite peamisteks tootjateks on saanud Hiina ettevõtted, kuna Hiina kontrollib enamiku haruldaste muldmetallide kaevandamist.[31] 2012. aastal toodeti Hiinas ametlikult 50 000 tonni neodüümmagneteid, aga hinnanguliselt oli tegelik kogus 80 000 tonni.[35] Hiina toodab tänapäeval 97% maailma haruldastest muldmetallidest ja 76% maailma haruldastel muldmetallidel põhinevatest magnetitest.[27]

Ameerika Ühendriikide Energiaministeerium on asunud rahastama uurimistöid, et leida asendusi haruldastel muldmetallidel põhinevate magnetite tehnoloogiale. Näiteks on rahastatud "The Advanced Research Projects Agency-Energy" (ARPA-E) poolt programmi Rare Earth Alternatives in Critical Technologies (REACT) 2011. aastal 31,6 miljoni dollariga. [36]

Neodüümile on otsinud alternatiivi ka töögrupp Jaapanis (Japan’s National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST) Materials Research Institute for Sustainable Development), kes töötas välja samaariumi-raua-lämmastikuühendil põhineva paagutatud isotroopse magnetmaterjali, mille magnetilised omadused on võrreldavad neodüümmagneti omadega. [37]

Tootmine[muuda | muuda lähteteksti]

Tootmisprotsess[muuda | muuda lähteteksti]

Neodüümmagneti üldvalem on Nd2Fe14B. Tegelik stöhhiomeetria tootmisprotsessis on keerulisem:

57 Fe + 8 B + 10 Fe2O3 + 7,5 NdO3 + 52,5 Ca → Nd15Fe77B8 + 52,5 CaO [38]

Selle reaktsiooni käigus moodustuv pulber on veidi erinev Nd2Fe14B-st. Magneteid tehakse tihti kas Nd rikkamaid või B rikkamaid, kus valmis magnetmaterjal sisaldab mittemagnetilisi neodüümi või boori osakesi, mille ümber on kõrgelt magnetilised Nd2Fe14B terad.

Kui väike osa rauda asendada koobaltiga (Co), siis paraneb neodüümmagneti temperatuuritaluvus, kuid koertsitiivus väheneb. Kui osa neodüümi asendada düsproosiumiga (Dy), siis koertsitiivsus paraneb, kuid energiatihedus väheneb. Tihti kasutatakse Co ja Dy koos.

Tehnoloogiad[muuda | muuda lähteteksti]

Neodüümmagneteid toodetakse põhiliselt kahel meetodil

Polümeeriga sidumise meetod (bonding)[muuda | muuda lähteteksti]

Polümeeriga sidumisel põhinevaid neodüümmagneteid valmistatakse NdFeB sulami lintide sula-ketramise käigus. Lindid sisaldavad juhuslikult orienteeritud Nd2Fe14B osakesi (terasid). Need lindid jahvatatakse pulbriks, segatakse polümeeriga ja polümeerkomposiit tekitatakse kas injektsioon-vormimise või survevalu läbi. [7] Kasutatav polümeer valitakse vastavalt plaanitavale vormimise meetodile, survevalu puhul kasutatakse termosettplastikuid, näiteks epoksüvaiku, samas kui injektsioon-vormimise puhul valitakse polümeeriks mõni termoplastik, näiteks nailon või polüfenüleen-sulfiid (PPS).[39] Kasutatav polümeer määrab ära ka maksimaalse kasutustemperatuuri (120 °C epoksüvaigu ja 80 °C nailoni puhul). Polümeeriga seotud neodüümmagnetid on mehaaniliselt hästi töödeldavad ja sõltuvalt valitud polümeerist ka vastupidavamad korrosioonile. Kui üldiselt on neodüümmagnetid anisotroopsed, siis survevaluga on võimalik valmistada ka isotroopseid magneteid.[40]

Polümeeriga seotud magnetite magnetvälja tugevus on väiksem kui paagutatud magnetitel, kuid nende eeliseks on võimalus valmistada eri vormidega detaile: kaared, trapetsoidid, jne. Võimalik on saavutada „Halbach array“. [41][42]

Paagutamismeetod (sintering)[muuda | muuda lähteteksti]

Paagutatamise puhul sulatatakse esiteks neodüümi, raua ja boori segu sulatusahjus, valatakse valuvormi ja jahutatakse. Saadud kangid jahvatatakse ja pulber kuumpressitakse orienteerivas magnetväljas tihedateks plokkideks. Need plokid paagutatakse (vaakumis) ja lõigatakse mõõtu, pind kaetakse ja „tühjad magnetid“ magnetiseeritakse eksponeerides neid väga võimsas magnetväljas. [18]

Paagutamismeetodil valmistatud neodüümmagneti tootmise etapid[muuda | muuda lähteteksti]

[38]

Sulami valmistamine[muuda | muuda lähteteksti]

Toorainete kokkusulatamine toimub spetsiaalses vaakum-induktsioonahjus. Sulam valatakse vormi ja jahutatakse. Ainete sulamistemperatuurid: Nd 1021 °C, Fe 1538 °C, B 2076 °C.

Jahvatamine[muuda | muuda lähteteksti]

Saadud materjal jahvatatakse jugaveskis (jet mill) pulbriks, mille keskmine osakeste suurus on 3–7 mikromeetrit. Selline pulber on keemiliselt väga aktiivne ja võib õhu käes isesüttida, seega tuleb vältida kokkupuudet hapnikuga.

Kokkusurumine[muuda | muuda lähteteksti]

Pulber pressitakse kõrgel temperatuuril (725 °C) kokku tahkiseks, millel on eelistatud magnetiseerimise suund. Selleks on mitu võimalust:

Üks võimalik meetod on ristipressimine, kus pulber paigutatakse pressi õõnsusse ja kompakteeritakse löögiga, kuid vahetult enne lööki rakendatakse suunavat välja. Kompakteerimine „külmutab" joonduse. Kuna väikesed pulbriosakesed pikendatakse magnetilise joonduse suunas, saadakse parem joondus, ehk kõrgema energiaga magnet ristipressimise tulemusena. Pulbri kompakteerimine hüdraulilise või mehaanilise pressi abil seab piirangud kujule, mida saab vormi õõnsusest välja lükata.

Teine kompakteerimismeetod on niinimetatud isostaatiline pressimine, mille käigus elastne anum täidetakse pulbriga, seejärel anum suletakse, rakendatakse joondav väli ja anum asetatakse isostaatilise pressi alla. Kasutades hüdraulilist vedelikku, rakendatakse rõhk väljapoole suletud anumat, kompakteerides seda võrdselt igast küljest. Põhiline eelis sellise meetodi puhul on see, et saab teha väga suuri magneteid ja kuna rõhku rakendatakse igast suunast võrdselt, siis saadakse kõrgeima energiatihedusega toode.

Paagutamine[muuda | muuda lähteteksti]

Eelmises etapis saadud kompakteeritud materjal paigutatakse vaakumahju tihenema (molekulid kleepuvad üksteise vastu). Konkreetne paakumistemperatuur (alla materjali sulamistemperatuuri) ja vaakumi või intergaasi olemasolu valitakse vastavalt magneti klassile. Pärast toatemperatuurile jahtumist tehakse veel üks termiline töötlus madalamal temperatuuril karastamise eesmärgil. Paagutusprotsessi käigus kaotab neodüümmagnet umbes 15–20% oma mahust. Saadud toode on karedapinnaline ja ligikaudsete soovitud mõõtmetega, millel pole veel magnetvälja.

Lõpptöötlus[muuda | muuda lähteteksti]

Paagutatud magnetid töödeldakse vastavalt vajadusele siledaks ja õigesse mõõtu, kas väljast või seest lõikamise teel. Kuna neodüümmagnet on samas habras kui ka väga kõva (Rockwelli skaalal C 57 kuni 61) vajab töötlemine teemantlõikureid ja teemantkäiasid. Lõikamist saab teha nii täpselt, et hilisemat käiamist ei ole tarvis.

Keerulisemate kujundite saamiseks kasutatakse ka elektrisädetöötlust.

Kuna töödeldud magnetitel on teravad servad, mis on altid lahti murduma ning takistavad pinnakatmist, ümardatakse teravused vibratsioonpoleerimisega abrasiivses keskkonnas.

Paagutatud neodüümmagnetid vajavad pea alati pinnakatet, kuna on keemiliselt aktiivsed. Eriti väljendub korrosioonitundlikkus mööda terade piirjooni, kus korrosioon põhjustab magneti murenemist ja kildude eemaldumist pinnakihist.

Enamasti kasutatakse nikkel-vask-nikkel pinnakatet, kuid võimalike katetena on toodud ka järgnevad metallid: Zn, Ag, Au, Sn, Ti, Al. Lisaks metallidele on ka teisi kattematerjale üksi või koos Ni-Cu-Ni kattega: epoksiid, PTFE, kumm jt. [15]

Magnetiseerimine[muuda | muuda lähteteksti]

Selles etapis on toodetavatel neodüümmagnetitel „eelistatud“ magnetiseerumise suund, kuid nad pole veel magnetiseerunud. Magnetiseerimiseks paigutatakse magnetid hetkeks väga tugevasse magnetvälja (saavutatakse suure mähisega ning kõrge pingega, et hetkeks saavutada vajalik voolutugevus).

Järelkontroll[muuda | muuda lähteteksti]

Soovitud mõõtude vastavuse kontroll, pinnakatte paksuse kontroll röntgenfluorestsentsmeetodil. BH kurvi mõõtmine toimub hüstereesigraafiga.

Piirangud kasutamisel[muuda | muuda lähteteksti]

Neodüümmagnetid, mis tehakse pulbermetallurgiaga, meenutavad keraamikat, mitte metalli, mistõttu võivad magnetid löögi tulemusena väga kergesti mõraneda või puruneda. Neodüümmagneteid ei soovitata paigaldada surve alla, vaid fikseerimiseks tuleks magnet liimida veidi suuremasse taskusse.

Keermete kasutamine ei ole soovitatav, sest isegi kui keere on võimalik tekitada, siis ei kannata materjal pöördemomenti. Magneti peaks kinnitama teraskeerme külge.

[18][38]

Moodsad tootmistehnoloogiad[muuda | muuda lähteteksti]

Paagutamise uued suunad[muuda | muuda lähteteksti]

2015. aastal teatas Jaapani ettevõte Nitto Denko Corporation, et nad arendavad uut meetodit neodüümmagnetite pulbermetallurgias. Meetod kasutab ära „orgaanilist/anorgaanilist hübriidtehnoloogiat“, et moodustada savisarnane segu, mida saab vormida mitmesugusteks kujunditeks enne paagutamist. Sealjuures on kõige tähtsam, et väidetavalt on võimalik kontrollida ka magnetvälja orientatsiooni ebaühtlaselt, et oleks võimalik lokaalselt kontsentreerida magnetvälja, mis aitaksid täiustada elektrimootoreid. Masstootmist plaanitakse alustada aastal 2017.[43][44]

Polümeeriga sidumise meetodi uued suunad[muuda | muuda lähteteksti]

Kuna polümeeriga sidumise meetodil toodetavatel neodüümmagnetitel on madalam energiatihedus ja väiksem koertsitiivus kui pulbertehnoloogiaga valmistatud neodüümmagnetitel, on nende polümeersetel segudel põhinevate magnetite eelisteks hea töödeldavus (injektsioon-vormimine, survevalu, ekstrusioon, valtsimine), head mehaanilised omadused ning parem vastupidavus korrosioonile. Seetõttu on viimastel aastatel otsitud lahendusi, kuidas täiustada sellist tüüpi magneteid [45].Üks tulevikusuundi on kihtlisandustootmine ehk 3D-printimine (additive manufacturing, AM), mis ehitab kolmemõõtmelisi objekte raalprojekteeritud (CAD) mudelitest, lisades materjali kiht kihi haaval. Antud meetodi eelised oleksid minimaalne jäätmete teke, kontrollitud energiakasutus, väiksem töötlemise aeg, rakiste tootmise kulu puudumine, piirangute puudumine kujule ja suurusele.

2016. aastal kasutasid Huber jt 3D-printimist, et toota isotroopne NdFeB tahkistatud magnet. Prinditud magneti tiheduseks saavutati 3,57 g/cm³, mis on väiksem kui injektsioon-vormimisel toodetud magnetitel (4,35 g/cm³), seetõttu saavutati ka väiksem jääkmagneetuvus.[46]

Üks uurimisgrupp kasutab „suure ala kihtlisandustootmist“ (Big Area Additive Manufacturing, BAAM), mis kombineerib sulatamise, liitmise, ekstrudeerimise. Sisendmaterjaliks on magnetilised pelletid, mis koosnevad 65% isotroopsest NdFeB pulbrist ja 35% Nailon-12 polümeerist. [45]

Taaskasutus[muuda | muuda lähteteksti]

Üks võimalus neodüümmagnetite taaskasutuseks oleks nende kokku kogumine kõvaketastest, ühelt poolt põhjusel, et neid on sealt suhteliselt lihtne kätte saada, teisalt on need ühed vähestest neodüümmagneteid sisaldavatest toodetest, millel on piisavalt lühike eluiga, et taaskasutusel tekiks mõte.

Käsitsi kõvaketastest eraldatud ja puhastatud neodüümmagnetitest saab neodüümi välja ekstraheerida, saades kätte kuni 98% sisaldisest [47][48]. Taaskasutuse seisukohast oleks mõttekam terve kõvaketas purustist läbi lasta, kuid eksperimentaalselt on näidatud, et sellisel juhul saab kätte ainult 10% sisalduvast neodüümist. [49]

Üks 2016 avaldatud raport [34] kirjeldab neodüümmagnetite taaskasutuseks järgmist tehnoloogiat: „novel tripodal nitroxide ligand: H3TriNOX“, et eraldada neodüümmagnetitest neodüüm ja düsproosium.

Sellisel taaskasutusel oleks teoreetiliselt turgu, sest Hiina toodang on limiteeritud ja ebastabiilne, samas toodab Hiina 97% kõikidest haruldatest muldmetallidel. [27]

Kirjeldatud taaskasutus oleks ka keskkonnasõbralikum võrreldes kaevandamisega või traditsioonilise neodüümi ja düsproosiumi eraldamisega [50], mis kasutab vedelik-vedelik ekstraheerimist.

Antud meetodi eesmärk oleks konverteerida kasutatud neodüümmagnetid neodüümiks ja düsproosiumiks.

Aastane tulu taaskasutusest oleks 126 000 kg/aastas neodüümi ja 14000 kg/aastas düsproosiumi puhul, mis maksaks 12 500 000 dollarit 2016. aasta hinnaga. Avaldatud raport väidab, et lähitulevikus ei ole selline taaskasutus majanduslikult mõttekas, aga kui tooraine hind peaks tõusma, siis tuleks seda kaaluda. [34]

Rakendused[muuda | muuda lähteteksti]

Väikesed neodüümmagnetid hoiavad terasest kuule. Neodüümmagnet suudab hoida rohkem kui 1000x enda raskust.
Raputamisega laetav taskulamp: elektrivool tekib kui taskulambi keskel olevast mähisest libistatakse läbi neodüümmagnet (mähisest paremal), elektrienergia salvestatakse superkondensaatorisse ja 10 sekundit raputamist annab 2–3 minutit valgust.

Neodüümmagnetid on asendanud AlNiCo ja ferriitmagnetid enamikes moodsates tehnoloogilistes lahendustes, kus on vajadus püsimagnetite järele, sest nende suurem tugevus võimaldab kasutada väiksemaid ja kergemaid magneteid.Neodüümmagneteid kasutatakse näiteks: [29][51][52][53][54]

  • Kõvaketaste peade täiturites (actuator)
  • Kosmosetehnoloogiates [54]
  • Meditsiinis:
    • magnetresonantstomograafias (MRI)
    • kirurgiliselt paigaldatud anti-refluks süsteemides, kus paigaldatakse magnetvöö söögitoru ja mao vahelise sulgurlihase ümber, et ravida reflukshaigust (gastroesophageal reflux disease (GERD)) [55]
  • Elektrimootorites:
    • juhtmevabades tööriistades
    • servomootorites
    • tõsteseadmete ja kompressorite mootorites
    • sünkroonmootorites
    • samm-mootorites
  • Magnetiseerimises:
    • asjade paigalhoidmiseks ja/või eraldamiseks
    • magnetfiltrites (raua eemaldamine õlist)
    • metallidetektorid (magnetiline kalapüük) [56]
    • magnetionisatsiooniks [57]
  • Mehaanilistes e-sigarettide süütelülitites
  • Autotööstuses:
    • magnetklambrites
    • magnetsensorites
    • erinevates salongi elektrimootorites
    • elektrilistes roolivõimendites
    • hübriid- ja elektriautode ajamites
    • magnetilistes amortisaatorites (magnetid liiguvad vabalt silindris samad poolused vastamisi, tekitades vedruefekti) [58]
  • Lukkudes
  • Turvasüsteemide alarmides ja lülitites
  • Kõlarites ja kõrvaklappides
  • Mikrofonides
  • Elektrikitarri ja basskitarri helipeades [59][60]
  • Magnetlaagrites ja -sidurites
  • Mõõdikutes
  • Lauapealsetes tuumamagnetresonants (NMR) spektromeetrites
  • Käivitites
  • Tuuleturbiinides (püsimagneti tüüpi generaatorites)
  • Magnetilistes ehete klambrites
  • Laste magnetilistes mänguasjades
  • jne.

Ohud[muuda | muuda lähteteksti]

Neodüümmagnetite laialdane levik ja suur võimsus mahu kohta kätkeb endas ohte, milliseid pole varem muud tüüpi magnetite puhul ilmnenud. Näiteks võivad tugevate neodüümmagnetite magnetväljad olla ohtlikud mehaanilistele ja elektroonilistele seadmetele kaugemalt kui tavalised magnetid.

Terviseriskid[muuda | muuda lähteteksti]

[61]

  • Mõnest kuupsentimeetrist suuremad neodüümmagnetid omavad piisavalt energiat, et põhjustada olulisi mujumiskahjustusi ja tekitada isegi luumurde, kui kahe sellise magneti vahele jääks mõni kehaosa.[62]
  • Tugevad neodüümmagnetid, mis satuvad üksteise lähedusse, põrkuvad nii suure hooga, et võivad hapra materjali [63] purustada kildudeks ning lendavad killud võivad põhjustada õnnetusi. Eriti oluline on kaitseprillidega kaitsta silmi.
  • Aktiivsed implanteeritavad meditsiiniseadmed (sh südamerütmurid) on magnetite poolt mõjutavad ning mida tugevam magnet, seda kaugemalt mõju avaldub. Näiteks võib kõrvaklappide magnetite sattumine südamerütmuri lähedusse põhjustada häireid selle töös. [64]
  • On kirjeldatud juhtumeid, kus lapsed on imiteerinud iluaugustamist (piercing), paigaldades väikseid magneteid enda kehale, hoidmaks paigas juveele, mistõttu on saadud survekahjustusi magnetite tõttu, mis olid kinnitatud ninale, kõrvadele, peenisele. [65]
  • Neodüümmagnetite allaneelamine võib olla eluohtlik. [65] Haiglasse toodud üheksa-aastasel tüdrukul esinesid valud alakõhus ja oksendamine. Patsient tunnistas, et on erinevatel aegadel alla neelanud väikseid magneteid, kui püüdis imiteerida keeleneeti. Uurimisel leiti, et allaneelatud magnetid olid augustanud peensoole viiest kohast ja põhjustanud ühe augu pimesoole seinas. Eri aegadel neelatud ja soolestikus eri kaugustel olevat magnetid olid tõmmanud ennast kokku, sulgedes soolestiku magnetite vahel ja läbistanud soole seina. [65]

Vaata ka[muuda | muuda lähteteksti]

Viited[muuda | muuda lähteteksti]

  1. 1,0 1,1 Sagawa, M., et al., Magnetic properties of rare‐earth‐iron‐boron permanent magnet materials. Journal of Applied Physics, 1985. 57(8): p. 4094-4096
  2. 2,0 2,1 Sagawa M., Fujimura S., Togawa N., Yamamoto H. & Matsuura Y. New material for permanent magnets on a base of Nd and Fe (invited). J. Appl. Phys. 55, 2083, doi: (1984).10.1063/1.333572
  3. 3,0 3,1 Croat J. J., Herbst J. F., Lee R. W. & Pinkerton F. E. Pr-Fe and Nd-Fe-based materials: A new class of high-performance permanent magnets (invited). J. Appl. Phys. 55, 2078, doi: (1984).10.1063/1.333571
  4. 4,0 4,1 Stanford Magnets. "Neodymium Magnets Materials Shortage in the Future".
  5. Stephen Straus. "All About Neodymium Magnets".
  6. AIM MAGNET CO.,LTD. "The difference between Sintered neodymium magnet and Bonded".
  7. 7,0 7,1 MMC Magnetics Corp.. "Bonded magnets".
  8. Ormerod J. & Constantinides S. Bonded permanent magnets: Current status and future opportunities (invited). J. Appl. Phys. 81, 4816, doi: (1997).10.1063/1.365471
  9. 9,0 9,1 Magnet Expert Ltd.. "Neodymium Magnet Grades".
  10. K.A. McEwen, , W.G. Stirling, Magnetic excitations in neodymium, a sinusoidally modulated antiferromagnet Original Research Article. Journal of Magnetism and Magnetic Materials, Volume 30, Issue 1, November 1982, Pages 99–105
  11. Chikazumi, Soshin (2009). Physics of Ferromagnetism, 2nd Ed. OUP Oxford. p. 187. ISBN 0191569852.
  12. "The World’s Most Attractive Magnet that is not Attracting Attention".
  13. "How is the strength of the magnet measured".
  14. "Earth's Magnetic Field".
  15. 15,0 15,1 Bunting Magnetics Europe Ltd. "Neodymium Iron Boron magnets require a protective coating / surface finish to prevent corrosion of the magnet.".
  16. "Magnetic Anisotropy". Hitchhiker's Guide to Magnetism. Retrieved 2 March 2014.
  17. Anderson, Jeremy J., "Structural and Magnetic Properties of Neodymium – Iron – Boron Clusters" (2010). Mechanical (and Materials) Engineering – Dissertations, Theses, and Student Research. Paper 10 http://digitalcommons.unl.edu/cgi/viewcontent.cgi?article=1010&context=mechengdiss
  18. 18,0 18,1 18,2 Arnold Magnetic Technologies. "Magnet Manufacturing Process".
  19. S. Cotton, Lanthanide and Actinide Chemistry, John Wiley & Sons, 2006, pp. 1–2.
  20. Xuan Xu. "From Nd2Fe14B to NdFe12Nx".
  21. Luo, Y. and N. Zhang, TEMPERATURE-VARIATION OF DOMAIN-STRUCTURE AND MAGNETIZATION IN NDFEB MAGNETS. Journal of Applied Physics, 1987. 61(8): p. 3445-3447.
  22. As hybrid cars gobble rare metals, shortage looms, Reuters, August 31, 2009.
  23. "NeoForm® Bonded Nd-Fe-B Magnets".
  24. Integrated Magnetics. "Neodymium Iron Boron Magnet Material Overview".
  25. Cecilia Jamasmie. "Molycorp shuts down Mountain Pass rare earth plant". Mining.com, Aug. 26, 2015..
  26. Julia Phelps. "Dayton Contributes to the History of Magnetic Materials".
  27. 27,0 27,1 27,2 U.S. Department of Energy. "Critical Materials Strategy". detsember 2011.
  28. "Patents and History, History of Rare-Earth Magnets".
  29. 29,0 29,1 Magnosphere GmbH. "Application for Neo Magnets".
  30. Suzanne Shaw & Judith Chegwidden. "Global drivers for rare earth demand".
  31. 31,0 31,1 31,2 Renee Cho. "Rare Earth Metals: Will We Have Enough?".
  32. David L. Chandler. "Clean energy could lead to scarce materials. Rising demand for wind turbines and electric vehicles could strain supplies of some rare earth metals.".
  33. Tristan C. C. Rousseau, Jeroen E. Sonke, Jérôme Chmeleff, Pieter van Beek, Marc Souhaut, Geraldo Boaventura, Patrick Seyler & Catherine Jeandel. "Rapid neodymium release to marine waters from lithogenic sediments in the Amazon estuary". Nature Communications 6, Article number: 7592, (2015).
  34. 34,0 34,1 34,2 Dai, Alan X.; Lippincott, Connor A.; Nissan, Michael E.; and Shim, Richard. "Recycling of Neodymium and Dysprosium from Permanent Magnets". Senior Design Reports (CBE). Paper 81., (2016).
  35. Walter T. Benecki. "The Permanent Magnet Market – 2015". Magnetics 2013 Conference.
  36. The Advanced Research Projects Agency-Energy (ARPA-E). "REACT (Rare Earth Alternatives in Critical Technologies)".
  37. "New isotropic sintered Sm-Fe-N magnet to challenge NdFeB in electric motors". 2011.
  38. 38,0 38,1 38,2 K&J Magnetics, Inc.. "How Neodymium Magnets are Made".
  39. Magnaworks Technology Inc. "Neodymium magnet types".
  40. ENES Magnesy Paweł Zientek Sp. k.. "Neodymium bonded magnets".
  41. Bunting Magnetics Europe Ltd. "Neodymium magnets".
  42. "Halbach Arrays".
  43. Nitto Denko Corporation. "World's First Magnetic Field Orientation Controlling Neodymium Magnet". 2015.
  44. Asahi Shimbun. "Potent magnet that can be molded like clay developed". 2015.
  45. 45,0 45,1 Ling Li, Angelica Tirado, I. C. Nlebedim, Orlando Rios, Brian Post, Vlastimil Kunc, R. R. Lowden, Edgar Lara-Curzio, Robert Fredette, John Ormerod, Thomas A. Lograsso & M. Parans Paranthaman. "Big Area Additive Manufacturing of High Performance Bonded NdFeB Magnets". Scientific Reports 6, Article number: 36212 doi:10.1038/srep36212, (2016).
  46. C. Huber, C. Abert, F. Bruckner, M. Groenefeld, O. Muthsam, S. Schuschnigg, K. Sirak, R. Thanhoffer, I. Teliban, R. Windl, and D. Suess. "3D Print of Polymer Bonded Rare-Earth Magnets, and 3D Magnetic Field Scanning With an End-User 3D Printer". arXiv:1605.07309 [physics.ins-det], (2016).
  47. V. Prakash, Z.H.I. Sun, J. Sietsma, Y. Yang. "Electrochemical Recovery Of Rare Earth Elements From Magnet Scraps ‐ A Theoretical Analysis". 1st European Rare Earth Resources Conference, (2014).
  48. J. W. Lyman and G. R. Palmer. "Recycling of Neodymium Iron Boron Magnet Scrap". United States Bureau of Mines, 1993.
  49. Chris Lee. "Rare earth recycling: Is it worth it?". Ars Technica, 2014.
  50. Sofia Riano. "Using ionic liquids for the separation of rare earths". Green Chemistry, 2015.
  51. "Neodymium Magnets The Wonder Magnets".
  52. "Examples of applications using Neodymium Magnets".
  53. "Uses of neodymium magnets".
  54. 54,0 54,1 "Uses for neodymium magnets".
  55. Torax Medical, Inc. "The Linx Reflux Management System: Stop Reflux At Its Source".
  56. "What Do I Need To Go Magnet Fishing".
  57. "Patent: Ionization by Magnetic Induction for Natural Gas".
  58. S. Gopinath, R.J. Golden Renjith, J. Dineshkumar. "Design and fabrication of magnetic shock absorber". International Journal of Engineering & Technology, Vol 3, No 2, (2014).
  59. Q-tuner. "Neodymium guitar ja bass pickups".
  60. CaliGuitar. "Guitar and Bass Pickups".
  61. "Neodymium magnets: Tips for safe handling".
  62. Frank Swain. "How to remove a finger with two super-magnets (video)". Science Blogs, March 6, 2009.
  63. Bluestreak Equipment. "The differences between Rare earth magnets and ceramic magnets".
  64. "Devices that may Interfere with Pacemakers".
  65. 65,0 65,1 65,2 S. McCormick, P. Brennan, J. Yassa, R. Shawis. "Children and mini-magnets: an almost fatal attraction". Emerg Med J 2002;19:71–73 doi:10.1136/emj.19.1.71, (2002).