Войти
Неодимовый магнит с никелевым покрытием на кронштейне жесткого диска 
Никелированный неодимовый магнит кубики 
Слева: изображение Nd 2Fe14B, полученное с помощью просвечивающей электронной микроскопии с высоким разрешением ; справа: кристаллическая структура с элементарной ячейкой, отмеченной A неодимовым магнитом (также известна как NdFeB, NIB или Нео магнит) является наиболее широко используемым типом редкоземельного магнита. Это постоянный магнит , изготовленный из сплава из неодима, железа и бора для образования неодима. 2Fe14B тетрагональная кристаллическая структура. Неодимовые магниты, независимо разработанные в 1984 году компаниями General Motors и Sumitomo Special Metals, представляют собой самый мощный из имеющихся на рынке постоянных магнитов. Из-за различных производственных процессов они делятся на две подкатегории: спеченные магниты NdFeB и связанные магниты из NdFeB. Они заменили другие типы магнитов во многих приложениях в современной продукции, требующей сильных постоянных магнитов, таких как электродвигатели в аккумуляторных инструментах, жесткие диски и магнитные крепления.
General Motors (GM) и Sumitomo Special Metals независимо друг от друга обнаружили соединение Nd 2Fe14B в 1984 году. Исследование было первоначально вызвано высокой стоимостью сырья SmCo. постоянные магниты, разработанные ранее. GM сосредоточила свое внимание на разработке формованных из расплава нанокристаллических магнитов Nd 2Fe14B, в то время как Sumitomo разработала спеченные магниты полной плотности Nd2Fe14B. GM коммерциализировала свои изобретения изотропного порошка Neo, связанных нео магнитов и связанных производственных процессов, основав Magnequench в 1986 году (с тех пор Magnequench стала частью Neo Materials Technology, Inc., которая позже слилась с Molycorp ). Компания поставляла формованный из расплава порошок Nd 2Fe14B производителям магнитов на связке. Завод Sumitomo стал частью Hitachi Corporation и производил, но также выдавал лицензии другим компаниям на производство спеченных магнитов Nd 2Fe14B. Hitachi имеет более 600 патентов на неодимовые магниты.
Китайские производители стали доминирующей силой в производстве неодимовых магнитов, благодаря их контролю над большей частью мировых источников редкоземельных рудников.
Министерство энергетики США определило необходимость поиска заменителей редкоземельных металлов в технологии постоянных магнитов и профинансировало такие исследования. Агентство перспективных исследовательских проектов - Энергия спонсировало программу «Альтернативы редкоземельных элементов в критических технологиях» (REACT) для разработки альтернативных материалов. В 2011 году ARPA-E выделило 31,6 миллиона долларов на финансирование проектов по замене редкоземельных элементов. Из-за его роли в постоянных магнитах, используемых в ветряных турбинах, утверждалось, что неодим будет одним из основных объектов геополитической конкуренции в мире, использующем возобновляемые источники энергии. Но эта точка зрения подвергалась критике за непризнание того, что в большинстве ветряных турбин не используются постоянные магниты, и за недооценку силы экономических стимулов для расширения производства.
Неодим - это металл, который является ферромагнетик (более конкретно, он показывает антиферромагнитные свойства), что означает, что, как и железо, его можно намагнитить, чтобы стать магнитом, но его температура Кюри (температура, выше которой исчезает его ферромагнетизм) составляет 19 К (-254,2 ° C; -425,5 ° F), поэтому в чистом виде его магнетизм проявляется только при чрезвычайно низких температурах. Однако соединения неодима с переходными металлами, такими как железо, могут иметь температуру Кюри значительно выше комнатной температуры, и они используются для изготовления неодимовых магнитов.
Сила неодимовых магнитов является результатом нескольких факторов. Наиболее важно то, что кристаллическая структура тетрагональной Nd2Fe14B имеет исключительно высокую одноосную магнитокристаллическую анизотропию (HA≈ 7 T - напряженность магнитного поля H в единицах А / м по сравнению с магнитный момент в А · м). Это означает, что кристалл материала предпочтительно намагничивается вдоль определенной оси кристалла , но его очень трудно намагничивать в других направлениях. Как и другие магниты, сплав неодимового магнита состоит из микрокристаллических зерен, которые выровнены в мощном магнитном поле во время производства, так что все их магнитные оси направлены в одном направлении. Сопротивление кристаллической решетки изменению направления намагничивания придает соединению очень высокую коэрцитивную силу или сопротивление размагничиванию.
Атом неодима может иметь большой магнитный дипольный момент, потому что он имеет 4 неспаренных электрона в своей электронной структуре, в отличие от (в среднем) 3 в железе. В магните именно неспаренные электроны, выровненные так, что они вращаются в одном направлении, создают магнитное поле. Это дает соединению Nd 2Fe14B высокую намагниченность насыщения (Js≈ 1,6 T или 16 кГс ) и остаточную намагниченность, как правило, 1,3 тесла. Следовательно, поскольку максимальная плотность энергии пропорциональна J s, эта магнитная фаза имеет потенциал для накопления большого количества магнитной энергии (BH max ≈ 512 кДж / м или 64 MG · Oe ). Это значение магнитной энергии примерно в 18 раз больше, чем у «обычных» ферритовых магнитов по объему и в 12 раз по массе. Это свойство магнитной энергии выше у сплавов NdFeB, чем у магнитов самарий-кобальт (SmCo), которые были первым типом редкоземельных магнитов, которые были коммерциализированы. На практике магнитные свойства неодимовых магнитов зависят от состава сплава, микроструктуры и технологии изготовления.
Кристаллическая структура Nd 2Fe14B может быть описана как чередующиеся слои атомов железа и соединения неодима с бором. диамагнитные атомы бора не вносят непосредственного вклада в магнетизм, но улучшают когезию за счет прочной ковалентной связи. Относительно низкое содержание редкоземельных элементов (12% по объему) и относительное содержание неодима и железа по сравнению с самарием и кобальтом делает неодимовые магниты более низкими по цене, чем самарий-кобальт. магниты.
Неодимовые магниты (маленькие цилиндры), поднимающие стальные сферы. Такие магниты могут легко поднимать вес, в тысячи раз превышающий их собственный. 
Феррожидкость на стеклянной пластине отображает сильное магнитное поле неодимового магнита под ним. Неодимовые магниты классифицируются в соответствии с их максимальный энергетический продукт, который относится к выходному магнитному потоку на единицу объема. Более высокие значения указывают на более сильные магниты. Для спеченных магнитов NdFeB существует широко признанная международная классификация. Их значения варьируются от 28 до 52. Первая буква N перед значениями является сокращением от неодима, что означает спеченные магниты NdFeB. Буквы, следующие за значениями, указывают на внутреннюю коэрцитивную силу и максимальные рабочие температуры (положительно коррелированные с температурой Кюри ), которые варьируются от значений по умолчанию (до 80 ° C или 176 ° F) до AH (230 ° C или 446 ° F).
Марки спеченных магнитов NdFeB:
Некоторые важные свойства, используемые для сравнения постоянных магнитов:
Неодимовые магниты обладают более высокой остаточной магнитной индукцией, намного более высокой r произведение коэрцитивности и энергии, но часто более низкая температура Кюри, чем у других типов магнитов. Были разработаны специальные неодимовые магнитные сплавы, в состав которых входят тербий и диспрозий, которые имеют более высокую температуру Кюри, что позволяет им выдерживать более высокие температуры. В таблице ниже сравниваются магнитные характеристики неодимовых магнитов с другими типами постоянных магнитов.
| Магнит | Br. (T) | Hci. (кА / м) | BHmax. (кДж / м) | TC | |
|---|---|---|---|---|---|
| ( ° C) | (° F) | ||||
| Nd2Fe14B, спеченный | 1,0–1,4 | 750–2000 | 200–440 | 310–400 | 590– 752 |
| Nd2Fe14B, связанный | 0,6–0,7 | 600–1200 | 60–100 | 310–400 | 590 –752 |
| SmCo 5, спеченное | 0,8–1,1 | 600–2000 | 120–200 | 720 | 1328 |
| Sm (Co, Fe, Cu, Zr) 7, спеченный | 0,9–1,15 | 450–1300 | 150–240 | 800 | 1472 |
| Алнико, спеченный | 0,6–1,4 | 275 | 10–88 | 700–860 | 1292–1580 |
| Sr-феррит, спеченный | 0,2–0,78 | 100–300 | 10–40 | 450 | 842 |
Микрофотография NdFeB, показывающая границы магнитного домена | Свойство | Неодим | Sm-Co |
|---|---|---|
| Остаточная прочность (T ) | 1–1,5 | 0,8–1,16 |
| Коэрцитивная сила (МА / м) | 0,875–2,79 | 0,493 –2,79 |
| Относительная проницаемость | 1,05 | 1,05–1,1 |
| Температурный коэффициент намагничивания (% / K) | - (0,12–0,09) | - (0,05–0,03) |
| Температурный коэффициент коэрцитивности (% / K) | - (0,65–0,40) | - (0,30–0,15) |
| Температура Кюри (° C) | 310–370 | 700–850 |
| Плотность (г / см) | 7,3–7,7 | 8,2–8,5 |
| Коэффициент теплового расширения, параллельно намагниченности (1 / K) | (3–4) × 10 | (5–9) × 10 |
| Коэффициент теплового расширения, перпендикулярно намагниченности (1 / K) | (1–3) × 10 | (10–13) × 10 |
| Прочность на изгиб (Н / мм) | 200–400 | 150–180 |
| Прочность на сжатие (Н / мм) | 1000–1100 | 800–1000 |
| Предел прочности на разрыв (Н / мм) | 80–90 | 35–40 |
| Твердость по Виккерсу (HV) | 500–650 | 400–650 |
| Электрическое удельное сопротивление ( Ом · см) | (110–170) × 10 | (50–90) × 10 |
Эти неодимовые магниты сильно корродировали после пяти месяцев погодных условий. Спеченный Nd 2Fe14B склонен к коррозии, особенно вдоль границ зерен спеченного магнита. Этот тип коррозии может вызвать серьезное повреждение, в том числе крошку магнита в порошок из мелких магнитных частиц или растрескивание поверхностного слоя.
Эта уязвимость устраняется во многих коммерческих продуктах путем добавления защитного покрытия для предотвращения воздействия атмосферы. Никелирование или двухслойное медно-никелевое покрытие являются стандартными методами, хотя также используются покрытия другими металлами или полимерными и лакокрасочными покрытиями.
Неодим имеет отрицательный коэффициент, означающий, что коэрцитивная сила вместе с плотностью магнитной энергии (BH max) уменьшается с температурой. Магниты из неодима, железа и бора имеют высокую коэрцитивную силу при комнатной температуре, но при повышении температуры выше 100 ° C (212 ° F) коэрцитивная сила резко уменьшается до температуры Кюри (около 320 ° C или 608 ° F). Это снижение коэрцитивной силы ограничивает эффективность магнита в условиях высоких температур, например, в ветряных турбинах, гибридных двигателях и т. Д. Диспрозий (Dy) или тербий (Tb) добавлен к ограничить снижение производительности из-за изменений температуры, что сделает магнит еще более дорогим.
Более высокие силы, оказываемые редкоземельными магнитами, создают опасности, которые могут не возникать с другими типами магнитов. Неодимовые магниты размером более нескольких кубических сантиметров достаточно сильны, чтобы причинить травмы частям тела, зажатым между двумя магнитами или магнитом и поверхностью черного металла, и даже вызвать переломы костей.
Магниты, которые слишком близко расположены друг к другу, могут ударяйте друг друга с силой, достаточной для того, чтобы сколоть и разбить хрупкие магниты, а летящие стружки могут вызвать различные травмы, особенно травмы глаз. Были даже случаи, когда у маленьких детей, проглотивших несколько магнитов, участки пищеварительного тракта зажимались между двумя магнитами, что приводило к травмам или смерти. Также это может быть серьезным риском для здоровья при работе с машинами, которые имеют магниты внутри или к ним. Более сильные магнитные поля могут быть опасны для механических и электронных устройств, поскольку они могут стирать магнитные носители, такие как гибкие диски и, и намагничивать часы и теневые маски мониторов типа CRT на большем расстоянии, чем другие типы магнита. В некоторых случаях сколотые магниты могут создавать опасность возгорания, поскольку они собираются вместе, посылая искры, летящие, как будто это зажигалка кремень, потому что некоторые неодимовые магниты содержат ферроцерий.
Существует два основных метода производства неодимовых магнитов:
В 2015 году Nitto Denko Японская корпорация объявила о разработке нового метода спекания неодимового магнитного материала. В этом методе используется «органическая / неорганическая гибридная технология» для образования глино-подобной смеси, которой можно придавать различные формы для спекания. Наиболее важно то, что можно контролировать неоднородную ориентацию магнитного поля в спеченном материале для локальной концентрации поля, например, для улучшения характеристик электродвигателей. Серийное производство запланировано на 2017 год.
По состоянию на 2012 год, 50 000 тонн неодимовых магнитов официально производились ежегодно в Китае, а 80 000 тонн производились по принципу «компания за компанией». завершено в 2013 году. Китай производит более 95% редкоземельных элементов и производит около 76% всех редкоземельных магнитов в мире, а также большую часть неодима в мире.
Кольцевые магниты 
Большинство жестких дисков содержат сильные магниты 
В этом фонарике с ручным приводом для выработки электричества используется неодимовый магнит Неодимовые магниты заменили алнико и ферриты Магниты используются во многих из множества применений в современной технологии, где требуются сильные постоянные магниты, потому что их большая сила позволяет использовать меньшие и более легкие магниты для данного приложения. Вот несколько примеров:
Сферы неодимовых магнитов, собранные в форме куба Большая прочность неодимовых магнитов послужила вдохновением для новых применений в областях, где раньше магниты не использовались, таких как магнитные застежки для ювелирных изделий, детские магнитные конструкторы (и другие игрушки с неодимовым магнитом ), а также как часть механизма закрытия современного спортивного парашютного оборудования. Они являются основным металлом в ранее популярных магнитах для настольных игрушек "Buckyballs" и "Buckycubes", хотя некоторые розничные продавцы США решили не продавать их из соображений безопасности детей, и они были запрещены в Канаде по той же причине..
Напряженность и однородность магнитного поля на неодимовых магнитах также открыли новые возможности в области медицины с введением открытых магнитно-резонансных томографов (МРТ) сканеров, используемых для визуализации тела в радиологии. в качестве альтернативы сверхпроводящим магнитам, которые используют катушку из сверхпроводящего провода для создания магнитного поля.
Неодимовые магниты используются в качестве хирургически устанавливаемой антирефлюксной системы, которая представляет собой полосу магнитов, хирургически имплантированную вокруг нижний сфинктер пищевода для лечения гастроэзофагеальной рефлюксной болезни (ГЭРБ). Их также имплантировали в кончики пальцев для обеспечения сенсорного восприятия магнитных полей, хотя это экспериментальная процедура, популярная только среди биохакеров и гриндеров.
