آهنربای نئودیمیوم
آهنربای نئودیمیوم (که با نامهای نئودیوم و نئودیمیم هم شناخته میشود) معروفترین و پرکاربردترین آهنربای عناصر کمیاب خاکی است که از ترکیب نئودیمیوم، آهن و بور ساخته میشود.
آهنربای نئودیمیوم برای اولین بار در سال 1984 و به صورت مستقل، توسط شرکتهای جنرال موتورز و سومیتومو ساخته شد. پس از آن آهنرباهای نئودیمیوم جایگزین سایر انواع آهنرباها در کاربردهای صنعتی بسیاری از قبیل موتورها و ژنراتورهای الکتریکی، هارد دیسکها، هدفونها، اسپیکرها، یاتاقانهای مغناطیسی و قفل درها، شدند.
دو روش عمده برای ساخت آهنربای نئودیمیوم وجود دارد که عبارت هستند از زینتر کردن و چسباندن. زینتر کردن به این صورت است که پودر ترکیب آهنربا در کوره قرار گرفته و تا نزدیک دمای ذوب حرارت میبیند تا اتصال ذرات به هم انجام شده و یک ساختار یکپارچه بدست آید و فرآیندن چسباندن هم به این شکل است که از چسب برای اتصال پودر ترکیب، استفاده میشود. آهنرباهای نئودیمیوم تولید شده به روش زینتر دارای خاصیت مغناطیسی قویتری هستند ولی به ضربه حساس هستند و به سرعت میشکنند، ولی آهنرباهای چسبانده شده دارای خاصیت مغناطیسی ضعیفتر و مقاومت بیشتر در مقابل ضربه هستند.
تاریخچه آهنربای نئودیمیوم
شرکتهای جنرال موتورز (General Motors) و فلزات خاص سومیتومو (Sumitomo Special Metals) در سال 1984، تقریبا به صورت همزمان و مستقل از هم، ترکیب Nd2Fe14B را کشف کردند. انگیزه اصلی این پژوهشها هزینه بالای مواد اولیه برای ساخت آهنرباهای ساماریوم کبالت بود که پیش از آن توسعه یافته بودند. جنرال موتورز بر روی تولید آهنرباهای نئودیمیوم چسبانده شده تمرکز کرد و سومیتومو روش زینتر را استفاده کرد. سومیتومو (که بعدا بخشی از هیتاچی شد) بیش از 600 اختراع در رابطه با آهنرباهای نئودیمیوم زینتر شده ثبت کرد که در حال حاضر در اختیار هیتاچی هستند.
ترکیب آهنربای نئودیمیوم
نئودیمیوم یک فلز فرومغناطیس و مشابه با آهن میتواند مغناطیزه (دارای خاصیت مغناطیسی) شده و تبدیل به آهنربا شود. ولی دمای کوری نئودیمیوم بسیار پایین و برابر با 14 کلوین (منفی 254 درجه سلسیوس) است. نقطه کوری (Curie temperature) دمایی است که در دماهای بالاتر از آن، ماده خاصیت مغناطیسی دائمی خود را از دست میدهد. بنابراین خاصیت مغناطیسی نئودیمیوم خالص، فقط در دماهای بسیار پایین دیده میشود. با این وجود، با آلیاژسازی نئودیمیوم با برخی عناصر مانند آهن، نقطه کوری ترکیب را تا دماهایی بیشتر از دمای اتاق بالا میبرد و همین روش برای ساخت آهنرباهای نئودیمیوم دائمی به کار میرود.
مهمترین عامل در قدرت مغناطیسی بسیار بالای آهنربای نئودیمیوم، ناهمسانگردی مغناطیسی بسیار بالای ساختار تتراگونال (یا 4 گوشه) کریستال Nd2Fe14B است. این رفتار به این معنی است که کریستال در یک جهت خاص محور کریستالی به راحتی مغناطیزه میشود ولی در سایر جهات مغناطیزه شدن آن بسیار دشوار است.مشابه با سایر انواع آهنرباها، آهنربای نئودیمیوم از دانههای میکروکریستالی تشکیل شده است که در طی فرآیند ساخت تحت تاثیر میدان معناطیسی پرقدرت، در یک جهت آرایش یافتهاند و به همین دلیل محور مغناطیسی آنها همجهت شده است.
خواص آهنربای نئودیمیوم
گرید
آهنرباهای نئودیمیوم بر اساس حداکثر میزان انرژی تولیدی توسط آنها، گرید بندی میشوند که عدد بزرگتر به معنای خاصیت آهنربایی قویتر است. گرید آهنرباهای نئودیمیوم زینتر شده عددی بین 28 تا 52 است و به با عدد N در ابتدای آن (به معنی آهنربای نئودیمیوم) بیان میشود. در مطلب گرید آهنربا به صورت کامل به گرید آهنرباهای مختلف پرداختهایم.
خوردگی و پوشش دهی
آهنرباهای نئودیمیوم زینتر شده حساسیت بالایی به خوردگی، به خصوص در راستای مرز دانهها دارند و به سرعت اکسید میشوند. خوردگی میتواند آهنربا را به پودری از ذرات ریز مغناطیسی تبدیل کند و به همین دلیل معمولا سطح آهنربا پوشش داده میشود. پوششهای استاندارد شامل نیکل و یا دو لایه مس و نیکل میشود، البته پوشش دهی با سیار فلزات یا پلاستیکها نیز مورد استفاده قرار میگیرد.
تاثیر دما
آهنرباهای نئودیمیوم-آهن-بور در دمای اتاق ماندگاری خاصیت مغناطیسی بسیار خوبی دارند ولی با افزایش دما به بالای 100 درجه سلسیوس ماندگاری به سرعت شروع به کاهش میکند تا اینکه به نقطه از دست رفتن تمام خاصیت مغناطیسی (320 درجه سلسیوس) میرسد. این رفتار، کاربرد آهنربای نئودیمیوم در دمای بالا را محدود میکند. برای افزایش پایداری آهنربای نئودیمیوم در دمای بالا، عناصر Dysprosium یا Terbium به آن افزوده میشود که البته باعث بالا رفتن قیمت نیز میشود.
خطرات
آهنربای نئودیمیوم قدرت بسیار بیشتری نسبت به آهنرباهای معمولی دارد و به همین دلیل ممکن است به صورت اشتباه، مشابه سایر آهنرباها با آن رفتار شود. آهنرباهای بزرگتر از چند سانتیمتر میتوانند نیرویی ایجاد کنند که پوست بین دو آهنربا را له کرده و حتی باعث شکست استخوانها شود.
دو آهنربای نزدیک به هم با سرعت بسیار زیادی به طرف هم کشیده میشوند و چون آهنربای نئودیمیم ترد است، ممکن است لبپر شده و تکههای آهنربا به طرف چشم پرتاب شوند. بلعیده شدن آهنربا توسط کودکان بسیار خطرناک است، چون اگر آهنربای دوم بلعیده شود، ممکن است دو آهنربا به هم بچسبند و بخشی از سیستم گوارشی را در بین خود فشار داده و باعث خونریزی داخلی شوند.
همچنین، آهنرباهای نئودیمیوم میتوانند باعث پاک شدن دیسکهای فلاپی، کارتهای بانکی، هارد دیسک و صدمه به گوشی موبایل و سایر تجهیزات الکترونیکی شوند. برخی از آهنرباهای نئودیمیوم حاوی ماده Ferrocerium هستند که در برخود دو آهنربا با هم، میتواند باعث ایجاد جرقه و آتش سوزی شود.
تولید
دو روش عمده برای تولید آهنربای نئودیمیوم وجود دارد؛
روش متالوژی پودر یا روش زینتر: در این روش مواد خام درون کوره ذوب شده و به شکل شمش، ریخته گری و خنک میشوند. سپس شمشها با ماشینکاری تبدیل به پودر میشود. پودر حاصل در قالب، زینتر شده و تبدیل به قطعات بزرگی میشود، سپس این قطعات عملیات حرارتی، برشکاری، پوششدهی سطحی و مغناطیزه میشود.
روش چسباندن: در این روش یک نوار نازک از آلیاژ NdFeB با ریختهگری چرخشی مذاب تولیدمیشود. این نوار سپس تبدیل به پودر شده با یک پلیمر مخلوط شده و با روش فشاری یا تزریق، در قالب شکلدهی میشود.
کاربردهای آهنربای نئودیمیوم
کاربردهای موجود
چون آهنرباهای نئودیمیوم قویتر از آهنرباهای فریت و آلنیکو هستند، برای تولید مقدار مشخصی میدان مغناطیسی، ابعاد و وزن کمتری در مقایسه با سایر انواع آهنربا خواهند داشت. به همین دلیل در کاربردهای مدرن بسیار زیادی جایگزین سایر آهنرباهای دائمی شدهاند.
- هارد دیسک کامپیوتر (آهنربای هارد دیسک)
- مکانیزم روشن شدن سیگارهای الکتریکی
- قفل در
- اسپیکر و هدفون
- کوپلینگهای مغناطیسی
- اسپکترومترهای NMR
- انواع بسیار متنوعی از موتورهای الکتریکی
- ژنراتورهای الکتریکی
- توربینهای بادی
- خودروهای هیبریدی
- یاتاقانهای مغناطیسی
کاربردهای آینده
قدرت بالای آهنرباهای نئودیمیوم، در حال ایجاد کاربردهای جدیدی برای این آهنرباها است که پیش از این توسط آهنربا قابل انجام نبودند. برخی از کاربردهای جدید عبارتتند از:
- قفلهای جدید برای جواهرات
- سازههای اسباببازی کودکان
- ایمپلنتهای مختلف
- دستگاههای MRI
