ההיסטוריה של מגנטים קבועים של אדמה נדירה למנועים

אלמנטים נדירים של כדור הארץ (מגנטים קבועים של אדמה נדירה) הם 17 יסודות מתכתיים באמצע הטבלה המחזורית (מספרים אטומיים 21, 39 ו-57-71) בעלי תכונות ניאון, מוליכות ומגנטיות יוצאות דופן שהופכות אותם לבלתי תואמים למתכות נפוצות יותר כגון ברזל) שימושי מאוד כאשר סגסוגת או מעורבת בכמויות קטנות. מבחינה גיאולוגית, יסודות אדמה נדירים אינם נדירים במיוחד. משקעים של מתכות אלה נמצאים בחלקים רבים של העולם, ואלמנטים מסוימים נמצאים בערך באותה כמות כמו נחושת או בדיל. עם זאת, יסודות אדמה נדירים מעולם לא נמצאו בריכוזים גבוהים מאוד ולעתים קרובות הם מעורבים זה בזה או עם יסודות רדיואקטיביים כגון אורניום. המאפיינים הכימיים של יסודות אדמה נדירים מקשים על ההפרדה מהחומרים הסובבים, ותכונות אלו גם הופכות אותם לקשים לטיהור. שיטות הייצור הנוכחיות דורשות כמויות גדולות של עפרות ומייצרות כמויות גדולות של פסולת מסוכנת כדי להפיק רק כמויות קטנות של מתכות אדמה נדירות, כאשר פסולת משיטות עיבוד כוללת מים רדיואקטיביים, פלואור רעיל וחומצות.

המגנטים הקבועים הקדומים ביותר שהתגלו היו מינרלים שסיפקו שדה מגנטי יציב. עד תחילת המאה ה-19, מגנטים היו שבירים, לא יציבים ועשויים מפלדת פחמן. בשנת 1917, יפן גילתה פלדת מגנט קובלט, שעשתה שיפורים. הביצועים של מגנטים קבועים המשיכו להשתפר מאז גילוים. עבור Alnicos (סגסוגות Al/Ni/Co) בשנות ה-30, התפתחות זו התבטאה במספר המרבי של תוצר אנרגיה מוגבר (BH)max, אשר שיפר מאוד את גורם האיכות של מגנטים קבועים, ועבור נפח נתון של מגנטים, ניתן להמיר את צפיפות האנרגיה המקסימלית לכוח שניתן להשתמש בו במכונות המשתמשות במגנטים.

מגנט הפריט הראשון התגלה בטעות בשנת 1950 במעבדת הפיזיקה השייכת למחקר תעשייתי של פיליפס בהולנד. עוזר סינתז אותו בטעות - הוא היה אמור להכין דוגמה נוספת ללימוד כחומר מוליכים למחצה. נמצא שהוא בעצם מגנטי, אז הוא הועבר לצוות המחקר המגנטי. בשל ביצועיו הטובים כמגנט ועלות ייצור נמוכה יותר. ככזה, זה היה מוצר שפותח על ידי פיליפס שסימן את תחילתה של עלייה מהירה בשימוש במגנטים קבועים.

בשנות ה-60, מגנטי האדמה הנדירים הראשונים(מגנטים קבועים של אדמה נדירה)נעשו מסגסוגות של יסוד הלנתניד, איטריום. הם המגנטים הקבועים החזקים ביותר עם מגנטיזציה רוויה גבוהה ועמידות טובה בפני דה-מגנטיזציה. למרות שהם יקרים, שבירים ולא יעילים בטמפרטורות גבוהות, הם מתחילים לשלוט בשוק ככל שהיישומים שלהם הופכים רלוונטיים יותר. בעלות על מחשבים אישיים הפכה נפוצה בשנות ה-80, מה שאומר ביקוש גבוה למגנטים קבועים עבור כוננים קשיחים.

סגסוגות כגון סמריום-קובלט פותחו באמצע שנות ה-60 עם הדור הראשון של מתכות מעבר ואדמה נדירה, ובסוף שנות ה-70 עלה מחיר הקובלט בצורה חמורה עקב אספקה ​​לא יציבה בקונגו. באותה תקופה, המגנטים הקבועים של הסמריון-קובלט (BH) max היו הגבוהים ביותר וקהילת המחקר נאלצה להחליף את המגנטים הללו. כמה שנים מאוחר יותר, בשנת 1984, הפיתוח של מגנטים קבועים המבוססים על Nd-Fe-B הוצע לראשונה על ידי Sagawa וחב'. שימוש בטכנולוגיית מטלורגיית אבקה ב- Sumitomo Special Metals, תוך שימוש בתהליך ספינינג נמס מבית ג'נרל מוטורס. כפי שמוצג באיור שלהלן, (BH)max השתפר במשך כמעט מאה שנה, החל מ-1 MGOe עבור פלדה והגיע לכ-56 MGOe עבור מגנטים NdFeB במהלך 20 השנים האחרונות.

קיימות בתהליכים תעשייתיים הפכה לאחרונה בראש סדר העדיפויות, ואלמנטים של אדמה נדירה, שהוכרו על ידי מדינות כחומרי גלם מרכזיים בשל סיכון האספקה ​​הגבוה שלהם וחשיבותם הכלכלית, פתחו אזורים למחקר על מגנטים קבועים נדירים חדשים ללא אדמה. כיוון מחקר אפשרי אחד הוא להסתכל אחורה על המגנטים הקבועים המוקדמים ביותר שפותחו, מגנטי פריט, וללמוד אותם עוד יותר באמצעות כל הכלים והשיטות החדשות הזמינות בעשורים האחרונים. מספר ארגונים עובדים כעת על פרויקטי מחקר חדשים שמקווים להחליף מגנטים של אדמה נדירה בחלופות ירוקות ויעילות יותר.