De geschiedenis van zeldzame aarde permanente magneten voor motoren

Zeldzame aardelementen (zeldzame aarde permanente magneten) zijn 17 metalen elementen in het midden van het periodiek systeem (atoomnummers 21, 39 en 57-71) die ongebruikelijke fluorescerende, geleidende en magnetische eigenschappen hebben waardoor ze onverenigbaar zijn met meer gebruikelijke metalen zoals ijzer) is erg handig wanneer gelegeerd of gemengd in kleine hoeveelheden. Geologisch gezien zijn zeldzame aardmetalen niet bijzonder zeldzaam. Afzettingen van deze metalen worden in veel delen van de wereld aangetroffen en sommige elementen zijn in ongeveer dezelfde hoeveelheid aanwezig als koper of tin. Zeldzame aardmetalen zijn echter nooit in zeer hoge concentraties aangetroffen en worden vaak met elkaar vermengd of met radioactieve elementen zoals uranium. De chemische eigenschappen van zeldzame aardmetalen maken het moeilijk om ze te scheiden van omringende materialen, en deze eigenschappen zorgen er ook voor dat ze moeilijk te zuiveren zijn. De huidige productiemethoden vereisen grote hoeveelheden erts en genereren grote hoeveelheden gevaarlijk afval om slechts kleine hoeveelheden zeldzame aardmetalen te winnen, met afval van verwerkingsmethoden zoals radioactief water, giftig fluor en zuren.

De vroegst ontdekte permanente magneten waren mineralen die voor een stabiel magnetisch veld zorgden. Tot het begin van de 19e eeuw waren magneten kwetsbaar, onstabiel en gemaakt van koolstofstaal. In 1917 ontdekte Japan kobaltmagneetstaal, dat verbeteringen aanbracht. De prestaties van permanente magneten zijn sinds hun ontdekking steeds beter geworden. Voor Alnicos (Al/Ni/Co-legeringen) in de jaren 1930 manifesteerde deze evolutie zich in het maximale aantal verhoogde energieproduct (BH)max, wat de kwaliteitsfactor van permanente magneten aanzienlijk verbeterde, en voor een bepaald volume magneten, de maximale energiedichtheid kan worden omgezet in vermogen dat kan worden gebruikt in machines die magneten gebruiken.

De eerste ferrietmagneet werd in 1950 bij toeval ontdekt in het natuurkundig laboratorium van Philips Industrial Research in Nederland. Een assistent heeft het per ongeluk gesynthetiseerd - hij moest een ander monster voorbereiden om te bestuderen als halfgeleidermateriaal. Er werd ontdekt dat het eigenlijk magnetisch was, dus het werd doorgegeven aan het magnetische onderzoeksteam. Vanwege zijn goede prestaties als magneet en lagere productiekosten. Als zodanig was het een door Philips ontwikkeld product dat het begin markeerde van een snelle toename van het gebruik van permanente magneten.

In de jaren zestig verschenen de eerste zeldzame-aardemagneten(zeldzame aarde permanente magneten)werden gemaakt van legeringen van het lanthanide-element, yttrium. Het zijn de sterkste permanente magneten met een hoge verzadigingsmagnetisatie en een goede weerstand tegen demagnetisatie. Hoewel ze duur, kwetsbaar en inefficiënt zijn bij hoge temperaturen, beginnen ze de markt te domineren naarmate hun toepassingen relevanter worden. Het eigendom van personal computers werd wijdverbreid in de jaren tachtig, wat een grote vraag naar permanente magneten voor harde schijven betekende.

Legeringen zoals samarium-kobalt werden halverwege de jaren zestig ontwikkeld met de eerste generatie overgangsmetalen en zeldzame aardmetalen, en eind jaren zeventig steeg de prijs van kobalt sterk als gevolg van onstabiele voorraden in Congo. Op dat moment was de hoogste samarium-kobalt permanente magneet (BH)max de hoogste en moest de onderzoeksgemeenschap deze magneten vervangen. Een paar jaar later, in 1984, werd de ontwikkeling van permanente magneten op basis van Nd-Fe-B voor het eerst voorgesteld door Sagawa et al. Met behulp van poedermetallurgietechnologie bij Sumitomo Special Metals, met behulp van het smeltspinproces van General Motors. Zoals te zien is in de onderstaande afbeelding, is (BH)max in bijna een eeuw verbeterd, beginnend bij ≈1 MGOe voor staal en tot ongeveer 56 MGOe voor NdFeB-magneten in de afgelopen 20 jaar.

Duurzaamheid in industriële processen is onlangs een prioriteit geworden, en zeldzame aardmetalen, die door landen zijn erkend als belangrijke grondstoffen vanwege hun hoge leveringsrisico en economisch belang, hebben gebieden geopend voor onderzoek naar nieuwe zeldzame aardmetalen-vrije permanente magneten. Een mogelijke onderzoeksrichting is om terug te kijken op de vroegst ontwikkelde permanente magneten, ferrietmagneten, en deze verder te bestuderen met behulp van alle nieuwe tools en methoden die de afgelopen decennia beschikbaar zijn. Verschillende organisaties werken nu aan nieuwe onderzoeksprojecten die zeldzame-aardemagneten hopen te vervangen door groenere, efficiëntere alternatieven.