Lịch sử của nam châm vĩnh cửu đất hiếm cho động cơ

Các nguyên tố đất hiếm (nam châm vĩnh cửu đất hiếm) là 17 nguyên tố kim loại ở giữa bảng tuần hoàn (số nguyên tử 21, 39 và 57-71) có đặc tính huỳnh quang, dẫn điện và từ tính khác thường khiến chúng không tương thích với các kim loại phổ biến hơn như Sắt) rất hữu ích khi hợp kim hoặc pha trộn với số lượng nhỏ. Về mặt địa chất, các nguyên tố đất hiếm không đặc biệt hiếm. Tiền gửi của các kim loại này được tìm thấy ở nhiều nơi trên thế giới và một số nguyên tố có mặt với số lượng gần bằng đồng hoặc thiếc. Tuy nhiên, các nguyên tố đất hiếm chưa bao giờ được tìm thấy ở nồng độ rất cao và thường được trộn lẫn với nhau hoặc với các nguyên tố phóng xạ như uranium. Tính chất hóa học của các nguyên tố đất hiếm khiến chúng khó tách khỏi các vật liệu xung quanh và những tính chất này cũng khiến chúng khó tinh chế. Các phương pháp sản xuất hiện tại đòi hỏi một lượng lớn quặng và tạo ra một lượng lớn chất thải nguy hại để chiết xuất chỉ một lượng nhỏ kim loại đất hiếm, với chất thải từ các phương pháp chế biến bao gồm nước phóng xạ, flo độc hại và axit.

Các nam châm vĩnh cửu sớm nhất được phát hiện là các khoáng chất cung cấp từ trường ổn định. Cho đến đầu thế kỷ 19, nam châm rất dễ vỡ, không ổn định và được làm bằng thép carbon. Năm 1917, Nhật Bản phát hiện ra thép nam châm coban, đã có những cải tiến. Hiệu suất của nam châm vĩnh cửu đã tiếp tục được cải thiện kể từ khi phát hiện ra chúng. Đối với Alnicos (hợp kim Al/Ni/Co) vào những năm 1930, sự tiến hóa này được thể hiện ở số lượng sản phẩm năng lượng (BH)max tăng lên tối đa, giúp cải thiện đáng kể hệ số chất lượng của nam châm vĩnh cửu và đối với một khối lượng nam châm nhất định, mật độ năng lượng tối đa có thể được Chuyển đổi thành năng lượng có thể được sử dụng trong các máy sử dụng nam châm.

Nam châm ferit đầu tiên được tình cờ phát hiện vào năm 1950 trong phòng thí nghiệm vật lý thuộc Viện Nghiên cứu Công nghiệp Philips ở Hà Lan. Một trợ lý đã tổng hợp nó do nhầm lẫn - anh ta phải chuẩn bị một mẫu khác để nghiên cứu làm vật liệu bán dẫn. Người ta phát hiện ra rằng nó thực sự có từ tính, vì vậy nó đã được chuyển cho nhóm nghiên cứu từ tính. Do hiệu suất tốt của nó như một nam châm và chi phí sản xuất thấp hơn. Do đó, đây là sản phẩm do Philips phát triển đánh dấu sự khởi đầu của việc sử dụng nam châm vĩnh cửu tăng nhanh.

Vào những năm 1960, nam châm đất hiếm đầu tiên(nam châm vĩnh cửu đất hiếm)được làm từ hợp kim của nguyên tố lantan, yttri. Chúng là những nam châm vĩnh cửu mạnh nhất với độ từ hóa bão hòa cao và khả năng chống khử từ tốt. Mặc dù chúng đắt tiền, dễ vỡ và không hiệu quả ở nhiệt độ cao, nhưng chúng đang bắt đầu chiếm lĩnh thị trường khi các ứng dụng của chúng trở nên phù hợp hơn. Quyền sở hữu máy tính cá nhân trở nên phổ biến vào những năm 1980, điều đó có nghĩa là nhu cầu cao về nam châm vĩnh cửu cho ổ cứng.

Các hợp kim như samarium-coban được phát triển vào giữa những năm 1960 với thế hệ kim loại chuyển tiếp và đất hiếm đầu tiên, và vào cuối những năm 1970, giá coban tăng nghiêm trọng do nguồn cung không ổn định ở Congo. Vào thời điểm đó, nam châm vĩnh cửu samarium-coban (BH)max cao nhất và cộng đồng nghiên cứu đã phải thay thế những nam châm này. Vài năm sau, vào năm 1984, sự phát triển của nam châm vĩnh cửu dựa trên Nd-Fe-B lần đầu tiên được đề xuất bởi Sagawa et al. Sử dụng công nghệ luyện kim bột tại Sumitomo Special Metals, sử dụng quy trình kéo sợi nóng chảy của General Motors. Như thể hiện trong hình bên dưới, (BH)max đã được cải thiện trong gần một thế kỷ, bắt đầu từ ≈1 MGOe đối với thép và đạt khoảng 56 MGOe đối với nam châm NdFeB trong 20 năm qua.

Tính bền vững trong các quy trình công nghiệp gần đây đã trở thành ưu tiên hàng đầu và các nguyên tố đất hiếm đã được các quốc gia công nhận là nguyên liệu thô chính do rủi ro cung cấp cao và tầm quan trọng kinh tế của chúng, đã mở ra các lĩnh vực nghiên cứu nam châm vĩnh cửu không chứa đất hiếm mới. Một hướng nghiên cứu khả thi là nhìn lại các nam châm vĩnh cửu, nam châm ferit được phát triển sớm nhất và nghiên cứu thêm về chúng bằng cách sử dụng tất cả các công cụ và phương pháp mới có sẵn trong những thập kỷ gần đây. Một số tổ chức hiện đang thực hiện các dự án nghiên cứu mới với hy vọng thay thế nam châm đất hiếm bằng các giải pháp thay thế xanh hơn, hiệu quả hơn.