Η ιστορία των μόνιμων μαγνητών σπάνιων γαιών για κινητήρες

Στοιχεία σπανίων γαιών (μόνιμοι μαγνήτες σπάνιων γαιών) είναι 17 μεταλλικά στοιχεία στη μέση του περιοδικού πίνακα (ατομικοί αριθμοί 21, 39 και 57-71) που έχουν ασυνήθιστες φθορίζουσες, αγώγιμες και μαγνητικές ιδιότητες που τα καθιστούν ασύμβατα με πιο κοινά μέταλλα όπως ο σίδηρος) είναι πολύ χρήσιμο όταν κράμα ή αναμεμειγμένο σε μικρές ποσότητες. Γεωλογικά, τα στοιχεία σπανίων γαιών δεν είναι ιδιαίτερα σπάνια. Κοιτάσματα αυτών των μετάλλων βρίσκονται σε πολλά μέρη του κόσμου και ορισμένα στοιχεία υπάρχουν σε περίπου την ίδια ποσότητα με τον χαλκό ή τον κασσίτερο. Ωστόσο, στοιχεία σπανίων γαιών δεν έχουν βρεθεί ποτέ σε πολύ υψηλές συγκεντρώσεις και συχνά αναμιγνύονται μεταξύ τους ή με ραδιενεργά στοιχεία όπως το ουράνιο. Οι χημικές ιδιότητες των στοιχείων σπάνιων γαιών καθιστούν δύσκολο τον διαχωρισμό από τα περιβάλλοντα υλικά, και αυτές οι ιδιότητες καθιστούν επίσης δύσκολο να καθαριστούν. Οι τρέχουσες μέθοδοι παραγωγής απαιτούν μεγάλες ποσότητες μεταλλεύματος και δημιουργούν μεγάλες ποσότητες επικίνδυνων αποβλήτων για την εξαγωγή μόνο μικρών ποσοτήτων μετάλλων σπάνιων γαιών, με απόβλητα από μεθόδους επεξεργασίας που περιλαμβάνουν ραδιενεργό νερό, τοξικό φθόριο και οξέα.

Οι πρώτοι μόνιμοι μαγνήτες που ανακαλύφθηκαν ήταν ορυκτά που παρείχαν ένα σταθερό μαγνητικό πεδίο. Μέχρι τις αρχές του 19ου αιώνα, οι μαγνήτες ήταν εύθραυστοι, ασταθείς και κατασκευασμένοι από ανθρακούχο χάλυβα. Το 1917, η Ιαπωνία ανακάλυψε χάλυβα μαγνήτη κοβαλτίου, ο οποίος έκανε βελτιώσεις. Η απόδοση των μόνιμων μαγνητών συνέχισε να βελτιώνεται από την ανακάλυψή τους. Για το Alnicos (κράματα Al/Ni/Co) στη δεκαετία του 1930, αυτή η εξέλιξη εκδηλώθηκε με τον μέγιστο αριθμό αυξημένου ενεργειακού προϊόντος (BH)max, το οποίο βελτίωσε σημαντικά τον παράγοντα ποιότητας των μόνιμων μαγνητών και για έναν δεδομένο όγκο μαγνητών, Η μέγιστη ενεργειακή πυκνότητα θα μπορούσε να μετατραπεί σε ισχύ που μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε μηχανές που χρησιμοποιούν μαγνήτες.

Ο πρώτος μαγνήτης φερρίτη ανακαλύφθηκε κατά λάθος το 1950 στο εργαστήριο φυσικής που ανήκει στη Philips Industrial Research στην Ολλανδία. Ένας βοηθός το συνέθεσε κατά λάθος - υποτίθεται ότι ετοίμαζε ένα άλλο δείγμα για να το μελετήσει ως υλικό ημιαγωγών. Διαπιστώθηκε ότι ήταν όντως μαγνητικό, έτσι μεταβιβάστηκε στην ομάδα μαγνητικής έρευνας. Λόγω της καλής του απόδοσης ως μαγνήτης και του χαμηλότερου κόστους παραγωγής. Ως εκ τούτου, ήταν ένα προϊόν που αναπτύχθηκε από τη Philips που σηματοδότησε την αρχή μιας ταχείας αύξησης στη χρήση μόνιμων μαγνητών.

Στη δεκαετία του 1960, οι πρώτοι μαγνήτες για σπάνιες γαίες(μόνιμοι μαγνήτες σπάνιων γαιών)κατασκευάστηκαν από κράματα του στοιχείου λανθανίδη, το ύττριο. Είναι οι ισχυρότεροι μόνιμοι μαγνήτες με μαγνήτιση υψηλού κορεσμού και καλή αντοχή στον απομαγνητισμό. Αν και είναι ακριβά, εύθραυστα και αναποτελεσματικά σε υψηλές θερμοκρασίες, αρχίζουν να κυριαρχούν στην αγορά καθώς οι εφαρμογές τους γίνονται πιο σχετικές. Η ιδιοκτησία προσωπικών υπολογιστών έγινε ευρέως διαδεδομένη τη δεκαετία του 1980, γεγονός που σήμαινε υψηλή ζήτηση για μόνιμους μαγνήτες για σκληρούς δίσκους.

Κράματα όπως το σαμάριο-κοβάλτιο αναπτύχθηκαν στα μέσα της δεκαετίας του 1960 με την πρώτη γενιά μεταβατικών μετάλλων και σπάνιων γαιών, και στα τέλη της δεκαετίας του 1970, η τιμή του κοβαλτίου αυξήθηκε σημαντικά λόγω των ασταθών προμηθειών στο Κονγκό. Εκείνη την εποχή, οι υψηλότεροι μόνιμοι μαγνήτες σαμαρίου-κοβαλτίου (BH)max ήταν οι υψηλότεροι και η ερευνητική κοινότητα έπρεπε να αντικαταστήσει αυτούς τους μαγνήτες. Λίγα χρόνια αργότερα, το 1984, η ανάπτυξη μόνιμων μαγνητών με βάση το Nd-Fe-B προτάθηκε για πρώτη φορά από τους Sagawa et al. Χρησιμοποιώντας τεχνολογία μεταλλουργίας σκόνης στη Sumitomo Special Metals, χρησιμοποιώντας τη διαδικασία περιδίνησης τήξης από την General Motors. Όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα, το (BH)max έχει βελτιωθεί σχεδόν σε έναν αιώνα, ξεκινώντας από ≈1 MGOe για τον χάλυβα και φτάνοντας περίπου τα 56 MGOe για τους μαγνήτες NdFeB τα τελευταία 20 χρόνια.

Η αειφορία στις βιομηχανικές διεργασίες έγινε πρόσφατα προτεραιότητα και τα στοιχεία σπάνιων γαιών, τα οποία έχουν αναγνωριστεί από τις χώρες ως βασικές πρώτες ύλες λόγω του υψηλού κινδύνου εφοδιασμού και της οικονομικής σημασίας τους, έχουν ανοίξει χώρους για έρευνα σε νέους μόνιμους μαγνήτες χωρίς σπάνιες γαίες. Μια πιθανή ερευνητική κατεύθυνση είναι να κοιτάξουμε πίσω στους πιο πρώιμους μόνιμους μαγνήτες, τους μαγνήτες φερρίτη, και να τους μελετήσουμε περαιτέρω χρησιμοποιώντας όλα τα νέα εργαλεία και μεθόδους που είναι διαθέσιμα τις τελευταίες δεκαετίες. Αρκετοί οργανισμοί εργάζονται τώρα σε νέα ερευνητικά έργα που ελπίζουν να αντικαταστήσουν τους μαγνήτες σπάνιων γαιών με πιο πράσινες, πιο αποτελεσματικές εναλλακτικές λύσεις.