تاریخچه مواد آهنربا دائم

تاریخچه مختصر

به استثنای آهنربای طبیعی، یعنی مگنتیت (Fe₃O₄)، توسعه و ساخت مواد آهنربا دائم در اوایل قرن بیستم با تولید کربن، کبالت و فولادهای wolfarm شروع شد. این مواد آهنربا دائم که خصوصیات مغناطیسی اشان نسبتاً ضعیف بود، باعث شد که برای چند دهه تنها به عنوان مواد آهنربایی دائم باقی بمانند. یک پیشرفت چشمگیر در این حوزه بعلت کشف مواد آلومینیوم نیکل AlNi و خصوصاً آلومینیوم نیکل کبالت AlNiCo بدست آورده شد. گام قابل توجه بعدی در دهه 1960 اتفاق افتاد، زمانی که ترکیبات فلزات خاکی کمیاب و کبالت اختراع شد. مهم ترین مواد SmCo₅ و Sm₂Co₁₇ بودند. بعداً تغییرات بهتر و پیچیده تری از این دو ماده مثل Sm₂(Co,Cu,Fe,Zr) کشف شد. بعد از کشف این مواد، اختراع مهم بعدی، آهنرباهای دائم نئودیمیوم – آهن – بور بودند که امروزه بالاترین تولید انرژی را موجب می شوند. یک مزیت این مواد این است که ساماریوم و کبالت نادر، توسط نئودیمیم و آهن بسیار رایج جایگزین شده اند. نوع اصلی این مواد Nd₁₅Fe₇₇B₈ می باشد. شکل 1 توسعه تولید انرژی مواد آهنربا دائم را از شروع قرن بیستم نشان می دهد.

شکل 1) پیشرفت انرژی تولیدی (BHmax) مواد آهنربا دائم در قرن بیستم

به طور نمونه چگالی شار پسماند رایج استفاده شده SmCo5 برابر با 1.05 در مقدار ماکزیمم است و تولید انرژی آن برابر با 210 کیلوژول بر مترمکعب می باشد. مقدارهای ماکزیمم برای نئودیمیوم – آهن – بور برابر 1.5 تسلا و 450 کیلوژول بر مترمکعب می باشند.

از گذشته، یک مشکل جدی مواد آهنربا دائم، مغناطیس زدایی آسان مواد بود. بهترین مواد آهنربا دائم کاملاً غیر حساس به قدرت میدان های خارجی و اثر شکاف هوایی هستند. فقط جریان های اتصال کوتاه در ماشین های داغ ممکن است منجر به خطر مغناطیس زدایی در ساختارهای معین شود.

قابل توجه ترین مواد آهنربا دائم در تولید تجاری به شرح زیر هستند:

• آهنرباهای AlNiCo ترکیب های متالیک آهن و چند فلزات دیگر هستند. مهم ترین فلزات آلیاژی، آلومینیوم، نیکل و کبالت هستند.

• آهنرباهای فریت از اکسیدهای سنگی ، باریم و استرانسیوم هگزا فریت هستند.

• آهنرباهای RECo (آهنرباهای کبالت خاک کمیاب) بوسیله یک تکنیک متالوژی پودر تولید می شوند و شامل فلزات خاک کمیاب (اساساً ساماریوم) و کبالت در نسبت های 1:5 و 2:17 می باشند. مورد دوم همچنین شامل آهن، زیرکونیوم و مس هستند.

• آهنرباهای نئودیمیوم، آهنرباهای نئودیمیوم – آهن – بور هستند که بوسیله یک تکنیک متالوژی پودر تولید می شوند.

آهنرباهای AlNiCo در دهه 1930 اختراع شدند و کاربردشان در اوج دهه 1960 بود. امروزه آنها در دماهای 300 درجه سانتی گراد و بالاتر بکار می روند. این نوع از آهنرباها با ریخته گری یا پختن تولید می شوند. ترکیب معمول آنها به صور 50 درصد آهن، 25 درصد کبالت، 14 درصد نیکل، 8 درصد آلومینیوم و 3 درصد کادمیم/نئودیمیوم/سیلیسم می باشد. توجه می کنیم که کیفیت ریخته گری شده منجر به 25 درصد عملکرد مغناطیسی بهتر از کیفیت های متخلخل می شود. آهنرباهای AlNiCo نسبت به دماهای بالا مقاوم هستند و به آسانی خورده نمی شوند و تولید انرژی آنها معمولاً بین 10 تا 80 کیلوژول بر مترمکعب می باشد.

فریت ها از مواد آهنربا دائمی بودند در دهه 1950 معرفی شدند و بعلت قیمت پایین اشان هنوز در بازار غالب هستند.  دو جایگزین تجاری از فریت ها در دسترس هستند که به صورت استرانسیوم (18 درصد) یا کربنات باریم (21 درصد) فرآوری شده به هگزا  – فریت ها می باشد. هر دوی ویژگی های ایزوتروپیک و آنتی ایزوتروپیک  بوسیله روش های متالوژی پودری تولید می شوند.

تولید انرژی آهنرباهای SmCo (1:5) (اختراع شده در 1969) برابر با 175 کیلوژول/ مترمکعب در ماکزیمم و آهنرباهای SmCo (2:17)  (اختراع شده در دهه 1980) معمولاً به 200 کیلوژول / متر مکعب (255 کیلوژول / مترمکعب در ماکزیمم) می رسد. مقاومت گرمایی آهنربای SmCo زمانی که با آهنرباهای نئودیمیوم مقایسه می شود، خیلی خوب است و آنها می توانند در دماهای بالاتر از 250 درجه سانتی گراد استفاده شوند. بعلاوه مقاومت در برابر خوردگی آهنرباهای SmCo بهتر از آهنرباهای نئودیمیوم می باشد اما آنها شکننده تر از آهنرباهای نئودیمیوم می باشند. آهنرباهای SmCo در کاربردهایی معمول هستند که مقدار ماده یعنی سبکی و مقاومت گرمایی عاملهای تعیین کننده هستند در حالیکه قیمت کمتر اهمیت دارد. کاربردهای معمول آنها برای موتورهای پله ای کوچک، سیستم های تعیین موقعیت لوله ای اشعه کاتدی، محرک های الکترومکانیکی، هدفون ها، بلندگوها و غیره می باشد.

آهنرباهای نئودیمیوم در سال 1983 اختراع شدند. آنها بوسیله فرآیند متالوژی پودر توسط سومیموتو یا بوسیله فرآیند ذوب شدن توسط شرکت جنرال موتور تولید می شوند. این مواد آهنربا دائم به طور معمول از 65 درصد آهن، 33 نئودیمیوم و 1.2 درصد بور تشکیل شده اند و مقدارهای کمی از آلومینیوم و نیوبیوم را در خود دارند. در بعضی حالتها، دیسپروسیوم و کبالت همچنین بکار برده می شود.

آهنرباهای نئودیمیوم به تغییرات در دما حساس هستند. نیروی مغناطیس کنندگی معکوس زمانی که دما افزایش می یابد، به طور قابل توجه افزایش می یابد. به هر حال، با بکارگیری فلزات خاک کمیاب دیگر به عنوان عناصر آلیاژی برای نئودیمیوم، دمای کاری می تواند به 180 درجه سانتی گراد افزایش یابد. بعلت خصوصیاتشان، آهنرباهای نئودیمیوم می توانند در بالابرهای الکترومغناطیسی، قطارهای معلق مغناطیسی، ژنراتورها، وسائل جداسازی مغناطیسی و موتورهای متنوع (همچون موتور سنکرون مغناطیس دائم و موتور بدون جاروبک جریان مستقیم) بکار برده شوند.

در حال حاضر، سریع ترین مواد آهنربا دائم در حال رشد، آهنرباهای دائمی پلیمر – پیوندی هستند. همه انواع اساسی می توانند به عنوان نوع پلیمر – پیوندی تولید شوند. هر دوی کیفیت های ایزوتروپیک و آنتی ایزوتروپیک به طور تجاری در دسترس هستند. آهنرباهای پلیمر – پیوندی قابل ماشین سازی هستند و می توانند در ساختارهای پیچیده مورد استفاده قرار گیرند. مقاومت گرمایی آنها بستگی به ماده پیوندی دارد و بین 100 تا 150 درجه سانتی گراد تغییر می کند. آنها موتورهای استپی کوچک و DC ، تاکومترها، موتورهای درایوهای دیسکتی، اسباب بازی ها، ساعت های کوارتز و تلفن ها معمول هستند.