تاریخچه آهنرباهای نئودیمیوم با کشف باستانی سنگ های لودستون، قطعات مغناطیسی طبیعی مگنتیت که تمدن های اولیه را مجذوب خود کرده بود، آغاز می شود. این سنگ ها که برای ناوبری و مطالعه مغناطیس استفاده می شوند، پایه و اساس درک ما از خواص مغناطیسی را ایجاد کردند. این مقاله به بررسی سفر از این اکتشافات اولیه تا توسعه ی آهنرباهای نئودیمیوم می پردازد که صنایع مختلف را با قدرت و تطبیق پذیری بی نظیر خود متحول کردند.
کشف مغناطیس
اصل مغناطیس از کجا آمده است؟ چگونه به جایی که امروز هستیم رسیدیم؟ بیایید با لودستون ها شروع کنیم زیرا آنها به عنوان اولین "مگنت ها" در نظر گرفته می شوند.
لودستون ها
لودستون ها تکه ای از مگنتیت یا سایر کانی های مغناطیسی طبیعی هستند.
مگنتیت
مگنتیت یک سنگ آهن، Fe3O4 است. این مواد معدنی توسط انسان ایجاد یا مغناطیسی نمی شوند - آنها در واقع به طور طبیعی از طریق برخورد صاعقه مغناطیسی می شوند. خاصیت مغناطیس برای اولین بار از طریق این سنگ ها کشف شد. تکه های لودستون که آزادانه معلق بودند، اولین قطب نماهای مغناطیسی و بخش مهمی از ناوبری اولیه بودند. اصطلاح "lodestone" در انگلیسی میانه به معنای "سنگ کورس" یا "سنگ پیشرو" است.
تاریخچه ی جلب توجه بشر به خواص مغناطیسی لودستون به قرن دوم قبل از میلاد بر می گردد که در ادبیات چینی یافت می شود.
رویدادهای تاریخی منجر به کشف آهنرباهای نئودیمیوم
پس چگونه از یافتن تصادفی سنگ های مغناطیسی به آهنرباهای نئودیمیوم فوق العاده قدرتمند رسیدیم؟ بیایید به جدول زمانی رویدادهای مغناطیس که منجر به کشف NdFeB شد نگاه کنیم.
حدود سال میلاد مسیح
اولین قطب نماها از سنگ لودستون در چین ساخته شد.
سال 1175 میلادی
ایده قطب نما مدرن توسط یک راهب انگلیسی به نام الکساندر نکام شرح داده شد. حدود 100 سال بعد، یک جنگجوی صلیبی فرانسوی ایده های نکام را گسترش داد و توضیح داد که چگونه یک سوزن شناور و نقطه محوری ممکن است کار کند.
سال 1600 میلادی
دکتر ویلیام گیلبرت (به درستی) پیشنهاد کرد که زمین یک آهنربای بزرگ است.
سال 1740 میلادی
گوین نایت شروع به فروش آهنرباهای مصنوعی به دانشمندان کرد.
سال 1820 میلادی
هانس کریستین اورستد دریافت که وقتی یک قطب نما را در کنار جریان الکتریکی عبوری قرار می دهد، سوزن حرکت می کند. بنابراین، ایده الکترومغناطیس متولد شد.
سال 1831 میلادی
مایکل فارادی کشف کرد که الکتریسیته می تواند از طریق مغناطیس ایجاد شود، مثلا وقتی آهنربایی در درون یک سیم پیچ مسی حرکت کند، جریان الکتریکی تولید می کند.
سال 1883 میلادی
نیکولا تسلا کشف کرد که میدان مغناطیسی همواره در حال چرخش است، این پدیده به اصل جریان متناوب تبدیل شد.
سال های 1917 تا 1930 میلادی
در این بازه زمانی 13 ساله، محققان و تولیدکنندگان شروع به آزمایش مواد مورد استفاده در ساخت آهنربا کردند. از طریق این آزمایش ها، آهنرباهای کبالت، آلنیکو و سرامیکی معرفی شدند.
سال 1960 میلادی
دانشمند نیروی هوایی ایالات متحده، کارل جی استرنات، مقدار عناصر مختلف مورد استفاده در آهنرباهای معمولی را برای ساخت آهنرباهای قوی تر تنظیم کرد. به این آهنرباها آهنرباهای کمیاب خاکی می گویند و امروزه نیز مورد استفاده قرار می گیرند. قوی ترین آهنربایی که او آزاد کرد ترکیبی از ساماریوم و کبالت (Sm2Co17) بود.
کشف آهنرباهای نئودیمیوم
پیشرفت های زیادی در بخش عناصر کمیاب خاکی صورت گرفته بود. اکتشافات دکتر Strnat راه را برای آهنرباهای قوی تر در حجم کوچک تر باز کرد، اما قیمت بالای مواد خام آهنرباهای SmCo محققان را به دنبال جایگزین دیگری نگه داشت. در اواخر دهه 1970، به دلیل ناآرامی های سیاسی در زئیر (جمهوری دموکراتیک کنگو کنونی) قیمت کبالت افزایش یافت. این امر محققان را تشویق کرد تا به دنبال آهنربای خاکی کمیابی باشند که به کبالت وابسته نباشد. در سال 1984، جنرال موتورز (GM) و Sumitomo Special Metals به طور مستقل ترکیب NdFeB را تقریباً همزمان کشف کردند. ترکیب نئودیمیوم، آهن و بور یک آهنربای فوق العاده قدرتمند را با هزینه کمتری نسبت به SmCo ایجاد کرد. جنرال موتورز بر توسعه آهنرباهای نانوکریستالی NdFeBذوب شده متمرکز شد، در حالی که سومیتومو آهنرباهای نئودیمیوم متخلخل را توسعه داد. آهنرباهای نئودیمیوم دارای بالاترین حداکثر انرژی در بین تمام آهنرباهای خاکی کمیاب هستند. آنها همچنین دارای بازدارندگی بالایی هستند (مقاومت در برابر مغناطیس زدایی). این خواص در مقایسه با دیگر آهنرباهای خاکی کمیاب آنقدر کارآمد هستند که به سرعت به استاندارد جهانی تبدیل شدند. کشف آهنرباهای نئودیمیوم امکان توسعه فناوری های جدید و کوچک سازی فناوری های موجود را فراهم کرد.
عناصر خاکی کمیاب چیست؟
عناصر خاکی کمیاب (REE) در جدول تناوبی مجموعه ای از هفده عنصر فلزی هستند. اینها شامل پانزده لانتانید موجود در جدول تناوبی به اضافه اسکاندیم و ایتریوم است. عناصر خاکی کمیاب در واقع آنقدرها هم کمیاب نیستند. این مواد به طور طبیعی وجود دارند، اگرچه مناطقی وجود دارند که غلظت بیشتری از این مواد در زمین دارند.
در دنیای آهنربا، ما بیشتر به نئودیمیوم و دیسپروزیوم علاقه مندیم. نئودیمیوم در دسته عناصر کمیاب خاکی سبک تر و فراوان تر است، در حالی که دیسپروزیوم ماده ای کمیاب تر و سنگین تر است.
همان طور که از نام آن ها پیداست، آهنرباهای خاکی کمیاب از فلزات خاکی کمیاب در جدول تناوبی تشکیل شده اند. بسیاری از فلزات کمیاب خاکی با وجود برچسب "نادر" در پوسته زمین نسبتا رایج هستند. محبوب ترین انواع آهنرباهای خاکی کمیاب آهنرباهای نئودیمیوم و ساماریوم-کبالت هستند. هر دو آهنرباهای خاکی کمیاب نئودیمیوم و ساماریم-کبالت با ایجاد طراحی های فشرده تر، کارآمدتر و قدرتمندتر، تکنولوژی و صنعت را متحول کرده اند.
تحقیقات آهنربایی در حال انجام
غلبه بر مقاومت در دمای پایین برای آهنرباهای نئودیمیوم: یکی از معایب مواد نئودیمیوم مقاومت حرارتی پایین آن است. اکثر آهنرباهای نئودیمیم حداکثر دمای کاری حدود 80 درجه سانتی گراد دارند. البته گرید های دمایی بالاتری نیز در دسترس هستند، اما نیاز به استفاده از مقداری دیسپروزیوم دارند. اشکال این است که دیسپروزیم کمیاب تر از نئودیمیم و چندین برابر گران تر از آن است. در حال حاضر، بالاترین گرید حرارتی نئودیمیوم، NAH با حداکثر دمای عملیاتی 220 درجه سانتی گراد است. تحقیقات برای افزایش مقاومت دمایی نئودیمیوم ادامه دارد.