Historia magnesów trwałych ziem rzadkich do silników

Rzadkie elementy ziemi(magnesy trwałe ziem rzadkich) to 17 metalicznych pierwiastków w środku układu okresowego (liczby atomowe 21, 39 i 57-71), które mają niezwykłe właściwości fluorescencyjne, przewodzące i magnetyczne, które czynią je niekompatybilnymi z bardziej powszechnymi metalami, takimi jak żelazo) jest bardzo przydatne, gdy stopowe lub mieszane w małych ilościach. Z geologicznego punktu widzenia pierwiastki ziem rzadkich nie są szczególnie rzadkie. Złoża tych metali znajdują się w wielu częściach świata, a niektóre pierwiastki występują w mniej więcej takiej samej ilości jak miedź czy cyna. Jednak pierwiastków ziem rzadkich nigdy nie znaleziono w bardzo wysokich stężeniach i często są one mieszane ze sobą lub z pierwiastkami radioaktywnymi, takimi jak uran. Właściwości chemiczne pierwiastków ziem rzadkich utrudniają oddzielenie ich od otaczających materiałów, a także te właściwości sprawiają, że są one trudne do oczyszczenia. Obecne metody produkcji wymagają dużych ilości rudy i generują duże ilości niebezpiecznych odpadów w celu wydobycia tylko niewielkich ilości metali ziem rzadkich, przy czym odpady z metod przetwarzania obejmują radioaktywną wodę, toksyczny fluor i kwasy.

Najwcześniejszymi odkrytymi magnesami trwałymi były minerały, które zapewniały stabilne pole magnetyczne. Do początku XIX wieku magnesy były kruche, niestabilne i wykonane ze stali węglowej. W 1917 roku Japonia odkryła kobaltową stal magnetyczną, która wprowadziła ulepszenia. Wydajność magnesów trwałych stale się poprawia od czasu ich odkrycia. Dla Alnicos (stopy Al/Ni/Co) w latach 30-tych XX wieku ewolucja ta przejawiała się w maksymalnej ilości zwiększonego produktu energetycznego (BH)max, co znacznie poprawiło współczynnik jakości magnesów trwałych, a dla danej objętości magnesów maksymalną gęstość energii można przekonwertować na moc, która może być wykorzystana w maszynach wykorzystujących magnesy.

Pierwszy magnes ferrytowy został przypadkowo odkryty w 1950 roku w laboratorium fizycznym należącym do Philips Industrial Research w Holandii. Asystent zsyntetyzował go przez pomyłkę – miał przygotować kolejną próbkę do badań jako materiał półprzewodnikowy. Stwierdzono, że w rzeczywistości był magnetyczny, więc został przekazany zespołowi badań magnetycznych. Ze względu na dobrą wydajność jako magnes i niższe koszty produkcji. W związku z tym był to produkt opracowany przez firmę Philips, który zapoczątkował gwałtowny wzrost wykorzystania magnesów trwałych.

W latach 60. pojawiły się pierwsze magnesy ziem rzadkich(magnesy trwałe ziem rzadkich)zostały wykonane ze stopów pierwiastka lantanowca, itru. Są to najsilniejsze magnesy trwałe o wysokim namagnesowaniu nasycenia i dobrej odporności na rozmagnesowanie. Chociaż są drogie, delikatne i nieefektywne w wysokich temperaturach, zaczynają dominować na rynku, ponieważ ich zastosowania stają się coraz bardziej istotne. Posiadanie komputerów osobistych stało się powszechne w latach 80., co oznaczało duże zapotrzebowanie na magnesy trwałe do dysków twardych.

Stopy takie jak samar-kobalt zostały opracowane w połowie lat sześćdziesiątych XX wieku wraz z pierwszą generacją metali przejściowych i pierwiastków ziem rzadkich, a pod koniec lat siedemdziesiątych cena kobaltu gwałtownie wzrosła z powodu niestabilnych dostaw w Kongu. W tym czasie najwyższe magnesy trwałe samarowo-kobaltowe (BH)max były najwyższe i społeczność naukowa musiała wymienić te magnesy. Kilka lat później, w 1984 roku, Sagawa i in. po raz pierwszy zaproponowali opracowanie magnesów trwałych na bazie Nd-Fe-B. Wykorzystując technologię metalurgii proszków w Sumitomo Special Metals, stosując proces przędzenia ze stopu firmy General Motors. Jak pokazano na poniższym rysunku, (BH)max poprawiło się przez prawie sto lat, zaczynając od ≈1 MGOe dla stali i osiągając około 56 MGOe dla magnesów NdFeB w ciągu ostatnich 20 lat.

Zrównoważony rozwój w procesach przemysłowych stał się ostatnio priorytetem, a pierwiastki ziem rzadkich, które zostały uznane przez kraje za kluczowe surowce ze względu na wysokie ryzyko dostaw i znaczenie gospodarcze, otworzyły obszary badań nad nowymi magnesami trwałymi niezawierającymi pierwiastków ziem rzadkich. Jednym z możliwych kierunków badań jest spojrzenie wstecz na najwcześniej opracowane magnesy trwałe, magnesy ferrytowe, i dalsze ich badanie przy użyciu wszystkich nowych narzędzi i metod dostępnych w ostatnich dziesięcioleciach. Kilka organizacji pracuje obecnie nad nowymi projektami badawczymi, które mają na celu zastąpienie magnesów ziem rzadkich bardziej ekologicznymi i wydajniejszymi alternatywami.