História permanentných magnetov vzácnych zemín pre motory

Prvky vzácnych zemín (permanentné magnety vzácnych zemín) je 17 kovových prvkov v strede periodickej tabuľky (atómové čísla 21, 39 a 57-71), ktoré majú nezvyčajné fluorescenčné, vodivé a magnetické vlastnosti, ktoré ich robia nekompatibilnými s bežnejšími kovmi, ako je železo), je veľmi užitočné, keď legované alebo zmiešané v malých množstvách. Z geologického hľadiska nie sú prvky vzácnych zemín mimoriadne zriedkavé. Ložiská týchto kovov sa nachádzajú v mnohých častiach sveta a niektoré prvky sú prítomné v približne rovnakom množstve ako meď alebo cín. Prvky vzácnych zemín sa však nikdy nenašli vo veľmi vysokých koncentráciách a často sa miešajú navzájom alebo s rádioaktívnymi prvkami, ako je urán. Chemické vlastnosti prvkov vzácnych zemín sťažujú ich oddelenie od okolitých materiálov a tieto vlastnosti tiež sťažujú ich čistenie. Súčasné výrobné metódy vyžadujú veľké množstvá rudy a vytvárajú veľké množstvá nebezpečného odpadu na extrakciu len malého množstva kovov vzácnych zemín, pričom odpady zo spracovateľských metód zahŕňajú rádioaktívnu vodu, toxický fluór a kyseliny.

Najskoršie objavené permanentné magnety boli minerály, ktoré poskytovali stabilné magnetické pole. Až do začiatku 19. storočia boli magnety krehké, nestabilné a vyrobené z uhlíkovej ocele. V roku 1917 Japonsko objavilo kobaltovú magnetickú oceľ, ktorá urobila vylepšenia. Výkon permanentných magnetov sa od ich objavu neustále zlepšuje. Pre Alnicos (zliatiny Al/Ni/Co) v 30. rokoch sa tento vývoj prejavil v maximálnom počte zvýšeného energetického produktu (BH)max, čím sa výrazne zlepšil faktor kvality permanentných magnetov a pri danom objeme magnetov maximálna hustota energie môže byť prevedená na výkon, ktorý je možné použiť v strojoch využívajúcich magnety.

Prvý feritový magnet bol náhodne objavený v roku 1950 vo fyzikálnom laboratóriu patriacom spoločnosti Philips Industrial Research v Holandsku. Asistent ho syntetizoval omylom – mal pripraviť ďalšiu vzorku na štúdium ako polovodičový materiál. Zistilo sa, že je v skutočnosti magnetický, a tak ho odovzdali tímu magnetického výskumu. Vďaka dobrému výkonu ako magnet a nižším výrobným nákladom. Ako taký to bol produkt vyvinutý spoločnosťou Philips, ktorý znamenal začiatok rýchleho nárastu používania permanentných magnetov.

V 60. rokoch 20. storočia prvé magnety vzácnych zemín(permanentné magnety vzácnych zemín)boli vyrobené zo zliatin lantanoidového prvku ytria. Sú to najsilnejšie permanentné magnety s vysokou saturačnou magnetizáciou a dobrou odolnosťou voči demagnetizácii. Aj keď sú drahé, krehké a neefektívne pri vysokých teplotách, začínajú dominovať na trhu, pretože ich aplikácie sú čoraz relevantnejšie. Vlastníctvo osobných počítačov sa rozšírilo v 80. rokoch minulého storočia, čo znamenalo vysoký dopyt po permanentných magnetoch pre pevné disky.

Zliatiny ako samárium-kobalt boli vyvinuté v polovici 60. rokov 20. storočia s prvou generáciou prechodných kovov a vzácnych zemín a koncom 70. rokov cena kobaltu výrazne vzrástla v dôsledku nestabilných dodávok v Kongu. V tom čase boli najvyššie samárium-kobaltové permanentné magnety (BH)max najvyššie a výskumná komunita musela tieto magnety nahradiť. O niekoľko rokov neskôr, v roku 1984, Sagawa a kol. prvýkrát navrhli vývoj permanentných magnetov na báze Nd-Fe-B. Pomocou technológie práškovej metalurgie v spoločnosti Sumitomo Special Metals s využitím procesu zvlákňovania taveniny od General Motors. Ako je znázornené na obrázku nižšie, (BH)max sa zlepšil za takmer storočie, počnúc od ≈1 MGOe pre oceľ a dosiahol približne 56 MGOe pre magnety NdFeB za posledných 20 rokov.

Udržateľnosť v priemyselných procesoch sa nedávno stala prioritou a prvky vzácnych zemín, ktoré krajiny uznali za kľúčové suroviny kvôli ich vysokému riziku dodávok a ekonomickému významu, otvorili oblasti pre výskum nových permanentných magnetov bez obsahu vzácnych zemín. Jedným z možných smerov výskumu je pozrieť sa späť na najskoršie vyvinuté permanentné magnety, feritové magnety a ďalej ich študovať pomocou všetkých nových nástrojov a metód dostupných v posledných desaťročiach. Niekoľko organizácií teraz pracuje na nových výskumných projektoch, ktoré dúfajú, že nahradia magnety vzácnych zemín ekologickejšími a účinnejšími alternatívami.