Ferrofluid trên thủy tinh, với một nam châm đất hiếm bên dưới

Nam châm đất hiếm là nam châm vĩnh cửu mạnh được làm từ hợp kim của các nguyên tố đất hiếm. Được phát triển vào những năm 1970 và 1980, nam châm đất hiếm là loại nam châm vĩnh cửu mạnh nhất được tạo ra, tạo ra từ trường mạnh hơn đáng kể so với các loại khác như nam châm ferrite hoặc alnico. Từ trường thường được tạo ra bởi nam châm đất hiếm có thể vượt quá 1,4 teslas, trong khi nam châm ferrite hoặc gốm thường thể hiện các trường từ 0,5 đến 1 tesla. Có hai loại: nam châm neodymium và nam châm coban samarium. Nam châm đất hiếm Magnetostrictive như Terfenol-D cũng có ứng dụng, ví dụ: trong loa. Nam châm đất hiếm cực kỳ giòn và cũng dễ bị ăn mòn, vì vậy chúng thường được mạ hoặc tráng để bảo vệ chúng khỏi bị vỡ, sứt mẻ hoặc vỡ vụn thành bột.

Sự phát triển của nam châm đất hiếm bắt đầu vào khoảng năm 1966, khi KJ Strnat và G. Hoffer của Phòng thí nghiệm Vật liệu Không quân Hoa Kỳ phát hiện ra rằng một hợp kim của yttri và coban, YCo ₅ cho đến nay Hằng số dị hướng từ lớn nhất của bất kỳ vật liệu nào được biết đến. ^[1][2] Thuật ngữ "đất hiếm" có thể gây hiểu nhầm, vì các kim loại này không đặc biệt hiếm hoặc quý; ^[3][4] chúng có nhiều như thiếc hoặc chì. ^[5] Tuy nhiên Quặng đất hiếm phân bố không đều, trong đó nguồn chính là Trung Quốc, ^[6] đã khiến các nước phân loại kim loại đất hiếm là quan trọng về mặt chiến lược. ^[7] Những hạn chế xuất khẩu gần đây của Trung Quốc đối với các nguyên liệu này đã khiến các nước khác khởi xướng các chương trình nghiên cứu để phát triển các chương trình nghiên cứu. nam châm mạnh mà không cần chúng.

Nam châm Neodymium (hình trụ nhỏ) nâng quả bóng thép. Như được chỉ ra ở đây, nam châm đất hiếm có thể dễ dàng nâng hàng ngàn lần trọng lượng của chúng.

Giải thích về sức mạnh [ chỉnh sửa ]

Các nguyên tố đất hiếm (lanthanide) là kim loại là sắt từ, có nghĩa là giống như sắt, chúng có thể được từ hóa để trở thành nam châm vĩnh cửu, nhưng nhiệt độ Curie của chúng (nhiệt độ trên đó ferromagnetism biến mất) ở dưới nhiệt độ phòng, vì vậy ở dạng tinh khiết, từ tính của chúng chỉ xuất hiện ở nhiệt độ thấp. Tuy nhiên, chúng tạo thành các hợp chất với các kim loại chuyển tiếp như sắt, niken và coban và một số hợp chất này có nhiệt độ Curie cao hơn nhiệt độ phòng. Nam châm đất hiếm được làm từ các hợp chất này.

Sức mạnh lớn hơn của nam châm đất hiếm chủ yếu là do hai yếu tố. Đầu tiên, cấu trúc tinh thể của chúng có tính dị hướng từ rất cao. Điều này có nghĩa là một tinh thể của vật liệu được ưu tiên từ hóa dọc theo một trục tinh thể cụ thể nhưng rất khó để từ hóa theo các hướng khác. Giống như các nam châm khác, nam châm đất hiếm được cấu tạo từ các hạt vi tinh thể, được sắp xếp trong một từ trường mạnh trong quá trình sản xuất, vì vậy các trục từ của chúng đều cùng hướng. Điện trở của mạng tinh thể để chuyển hướng từ hóa của nó mang lại cho các hợp chất này một độ cưỡng bức từ tính rất cao (khả năng chống bị khử từ).

Thứ hai, các nguyên tử của các nguyên tố đất hiếm có thể có từ trường cao vì cấu trúc electron quỹ đạo của chúng chứa nhiều electron chưa ghép cặp, trái ngược với các nguyên tố khác, trong đó hầu như tất cả các electron tồn tại trong cặp có spin ngược nhau, vì vậy từ trường của chúng hủy bỏ Đây là hậu quả của việc lấp đầy vỏ f không hoàn chỉnh, có thể chứa tới 7 electron chưa ghép cặp. Trong một nam châm, đó là các electron chưa ghép cặp, được sắp xếp sao cho chúng quay cùng hướng, tạo ra từ trường. Điều này mang lại cho vật liệu mức độ phục hồi cao (từ hóa bão hòa J _s ). Mật độ năng lượng tối đa BH _max tỷ lệ thuận với J _s ² vì vậy những vật liệu này có khả năng lưu trữ một lượng lớn năng lượng từ tính. Sản phẩm năng lượng từ tính BH _max của nam châm neodymium lớn hơn khoảng 18 lần so với nam châm "thông thường" theo thể tích. Điều này cho phép nam châm đất hiếm nhỏ hơn các nam châm khác có cùng cường độ trường.

Thuộc tính từ tính [ chỉnh sửa ]

Một số tính chất quan trọng được sử dụng để so sánh nam châm vĩnh cửu là: remanence ( B _r ), đo lường cường độ của từ trường; tính cưỡng chế ( H _ci ), khả năng chống lại vật liệu bị biến chất; sản phẩm năng lượng ( BH _max ), mật độ năng lượng từ; và nhiệt độ Curie ( T _C ), nhiệt độ mà vật liệu mất từ ​​tính. Nam châm đất hiếm có độ dư cao hơn, sản phẩm năng lượng và năng lượng cao hơn nhiều, nhưng (đối với neodymium) nhiệt độ Curie thấp hơn các loại khác. Bảng dưới đây so sánh hiệu suất từ ​​của hai loại nam châm đất hiếm, neodymium (Nd ₂ Fe ₁₄ B) và samarium-cobalt (SmCo ₅ ), với các loại nam châm vĩnh cửu khác.

Nguồn: ^{[ cần trích dẫn ]}

Samarium-cobalt [ chỉnh sửa ]

Nam châm coban (công thức hóa học: SmCo ] 5 ), họ nam châm đất hiếm đầu tiên được phát minh, ít được sử dụng hơn nam châm neodymium vì giá thành cao hơn và cường độ từ trường thấp hơn. Tuy nhiên, coban samarium coban có nhiệt độ Curie cao hơn, tạo ra một hốc cho các nam châm này trong các ứng dụng cần cường độ trường cao ở nhiệt độ hoạt động cao. Chúng có khả năng chống oxy hóa cao, nhưng nam châm samarium-coban thiêu kết rất dễ vỡ và dễ bị sứt mẻ và nứt vỡ và có thể bị gãy khi bị sốc nhiệt.

Neodymium [ chỉnh sửa ]

Nam châm Neodymium với lớp mạ niken hầu như bị loại bỏ

Nam châm Neodymium, được phát minh vào những năm 1980, là loại nam châm đất hiếm mạnh nhất và có giá cả phải chăng nhất. Chúng được làm từ một hợp kim của neodymium, sắt và boron (Nd ₂ Fe ₁₄ B), đôi khi được viết tắt là NIB. Nam châm Neodymium được sử dụng trong nhiều ứng dụng đòi hỏi nam châm vĩnh cửu mạnh mẽ, nhỏ gọn, chẳng hạn như động cơ điện cho các công cụ không dây, ổ đĩa cứng, bao da từ tính và móc trang sức. Chúng có cường độ từ trường cao nhất và có độ cưỡng bức cao hơn (giúp chúng ổn định từ tính), nhưng chúng có nhiệt độ Curie thấp hơn và dễ bị oxy hóa hơn so với nam châm coban samarium. Ăn mòn có thể làm cho nam châm không được bảo vệ phá vỡ một lớp bề mặt hoặc vỡ vụn thành bột. Sử dụng các phương pháp xử lý bề mặt bảo vệ như vàng, niken, kẽm, và mạ thiếc và lớp phủ nhựa epoxy có thể bảo vệ chống ăn mòn.

Ban đầu, chi phí cao của các nam châm này đã giới hạn việc sử dụng chúng cho các ứng dụng đòi hỏi sự nhỏ gọn cùng với cường độ trường cao. Cả nguyên liệu thô và giấy phép bằng sáng chế đều đắt đỏ. Tuy nhiên, kể từ những năm 1990, nam châm NIB đã trở nên ít tốn kém hơn và chi phí thấp đã truyền cảm hứng cho những ứng dụng mới như đồ chơi xây dựng từ tính.

Các mối nguy hiểm [ chỉnh sửa ]

Lực lớn hơn do nam châm đất hiếm tạo ra các mối nguy hiểm không thể nhìn thấy bằng các loại nam châm khác. Nam châm lớn hơn vài cm đủ mạnh để gây thương tích cho các bộ phận cơ thể bị kẹp giữa hai nam châm hoặc nam châm và bề mặt kim loại, thậm chí gây gãy xương. ^[8] Nam châm cho phép quá gần nhau có thể va vào nhau với lực vừa đủ để chip và phá vỡ các vật liệu giòn, và các chip bay có thể gây thương tích. Thậm chí đã có trường hợp trẻ nhỏ nuốt phải nhiều nam châm đã bị nếp gấp của đường tiêu hóa bị chèn ép giữa các nam châm, gây thương tích và trong một trường hợp thủng ruột, nhiễm trùng huyết và tử vong. ^[9] ] Ủy ban An toàn Sản phẩm Tiêu dùng Hoa Kỳ đã thông qua quy tắc hạn chế kích thước nam châm đất hiếm trong các sản phẩm tiêu dùng, nhưng nó đã bị bỏ trống bởi một quyết định của tòa án Liên bang Hoa Kỳ vào tháng 11 năm 2016. ^[10]

Ứng dụng [ chỉnh sửa ]

Kể từ khi giá của chúng trở nên cạnh tranh vào những năm 1990, nam châm neodymium đã thay thế nam châm Alnico và ferrite trong nhiều ứng dụng trong công nghệ hiện đại cần nam châm mạnh. Sức mạnh lớn hơn của chúng cho phép nam châm nhỏ hơn và nhẹ hơn được sử dụng cho một ứng dụng nhất định.

Các ứng dụng phổ biến [ chỉnh sửa ]

Các ứng dụng phổ biến của nam châm đất hiếm bao gồm:

• ổ đĩa cứng máy tính
• máy phát điện tua-bin gió
• loa / tai nghe
• máy phát điện xe đạp
• máy quét MRI
• phanh cuộn dây câu
• động cơ nam châm vĩnh cửu trong các công cụ không dây
• Động cơ AC servo
• động cơ kéo và máy phát điện khởi động tích hợp trong xe hybrid và điện
• đèn pin chạy bằng cơ, sử dụng nam châm đất hiếm để tạo ra điện trong chuyển động rung hoặc chuyển động quay (chạy bằng tay)
• sử dụng như duy trì độ tinh khiết của sản phẩm, bảo vệ thiết bị và kiểm soát chất lượng
• thu giữ các hạt kim loại mịn trong dầu bôi trơn (trục khuỷu của động cơ đốt trong, cũng như hộp số và vi sai), để giữ cho các hạt nói ra khỏi lưu thông, từ đó khiến chúng bị lưu thông không thể gây ra sự mài mòn của các bộ phận máy chuyển động

Các ứng dụng khác [ chỉnh sửa ]

Các ứng dụng khác của mag đất hiếm lưới bao gồm:

Nam châm vĩnh cửu không có đất hiếm [ chỉnh sửa ]

Bộ Năng lượng Hoa Kỳ đã xác định cần tìm chất thay thế cho kim loại đất hiếm trong công nghệ nam châm vĩnh cửu và đã bắt đầu tài trợ cho nghiên cứu như vậy. Cơ quan Dự án Nghiên cứu Tiên tiến-Năng lượng (ARPA-E) đã tài trợ cho chương trình Thay thế Trái đất hiếm trong Công nghệ quan trọng (REACT), để phát triển các vật liệu thay thế. Vào năm 2011, ARPA-E đã trao 31,6 triệu đô la để tài trợ cho các dự án thay thế đất hiếm. ^[11]

Tài liệu tham khảo [ chỉnh sửa ]

Đọc thêm [ chỉnh sửa ]

Liên kết ngoài [ chỉnh sửa ]