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任何對清潔(可再生)能源、消費電子產品或電動汽車有過短暫興趣的人,都會遇到“永磁體”這個詞。永磁體是由金屬和稀土元素的不同組合制成的。永磁體出現在20世紀60年代左右,但1982年發生了改變游戲規則的事情。——通用汽車公司的研究科學家約翰·
任何對清潔(可再生)能源、消費電子產品或電動汽車有過短暫興趣的人,都會遇到“永磁體”這個詞。永磁體是由金屬和稀土元素的不同組合制成的。永磁體出現在20世紀60年代左右,但1982年發生了改變游戲規則的事情。
——通用汽車公司的研究科學家約翰·克羅特用稀土制造了世界上最強的永磁體。該公司的一個部門稱為Magnequench成立于1986年。
Magnequench的目標是生產釹鐵硼(釹鐵硼)磁鐵,一種通用汽車所需的高級永磁材料。這一研究是由于早前開發的釤鈷永磁材料成本高。
制造永磁體有兩種不同的方法,通用汽車專注于熔紡納米晶釹鐵硼磁體,日本住友金屬工業生產全密度燒結磁體。住友后來被日立(Hitachi)收購。日立生產釹磁鐵的專利技術,并將其授權給其他公司。通用汽車進軍這一領域的嘗試出現了一個更有趣的轉變。
如果沒有對Magnequench的可疑收購,中國就不可能發展稀土產業。1988年,總部位于印第安納波利斯的Magnequench被神秘地賣給了中國...。該工廠隨后被關閉,并于2000年遷往中國。
從那以后,美國國防承包商所需的稀土金屬、合金和磁鐵要么直接要么間接地主要來自中國。中國壟斷了元素周期表中17種元素的開采和/或加工。
永磁體分類
永磁體有六種類型,但只有兩種是由稀土元素制成的——釹鐵硼磁體和釤鈷磁體。其他四種類型的磁鐵是陶瓷(或硬鐵氧體),鋁鎳鈷,注塑和柔性。
不用對這四種材料做太多的詳細介紹,陶瓷磁體是由氧化鐵和鋇或碳酸鍶組成的。它們是最早被發明的磁鐵類型,可以追溯到古希臘,古希臘人知道磁石(一種磁性礦石)。第一塊陶瓷磁鐵出現在20世紀50年代。比以前任何形狀的磁鐵都更強大的磁鐵,可以用粉狀的鋇鐵氧體或鍶鐵氧體做成磁鐵的形狀,然后烘烤。相比之下,釹鐵硼磁鐵是釹、鐵和硼的合金,在熔爐中熔化,然后冷卻成錠。鋼錠粉碎后,粉末燒結成致密塊,經熱處理后切割成型,再進行表面處理和磁化。
陶瓷磁鐵易于磁化,耐腐蝕,比天然磁鐵更強,但易脆易碎,這意味著它們不能用于彎曲的機械。釹磁鐵也很脆,耐熱性較差,需要涂層來防止腐蝕。然而,它們比任何其他類型的磁鐵強大的大小相同,并非常抗退磁由外部磁場。這使得釹鐵硼磁鐵適用于大功率渦輪和發電機,而陶瓷磁鐵更適合低功率機械。
在釹鐵硼和釤鈷磁鐵出現之前,最強大的磁鐵是鋁、鎳和鈷制成的Alnico磁鐵。Alnico磁鐵取代了電磁鐵,而且Alnico磁鐵在很大程度上被更強的釹鐵硼和SmCo磁鐵所替代,但它們仍然被用于高溫處理設備和傳感器,舉幾個例子。
注射成型磁鐵是通過將磁性材料與聚合物粘合劑混合制成的。這使得磁鐵可以被塑造成復雜的形狀,適合插入或周圍現有的組件,從而節省了制造過程中的步驟。柔性磁鐵是類似的,只是它們是在扁平的條狀和片狀。乙烯基常被用作粘合劑。
釤鈷磁鐵在20世紀70年代首次被引入。它們比鋁鎳鈷或陶瓷材料更強,在所有永磁材料中耐熱性最好,能夠承受高達300攝氏度的高溫。但由于成本較高,它們不如最常見的稀土磁體釹鐵硼受歡迎。釤鈷磁鐵具有很強的抗生銹能力,但它們也很脆弱,當高溫導致它們膨脹時可能會斷裂。
釹-鐵-硼磁鐵的性能與釤-鈷類似,只是它們的抗氧化能力較差,需要表面處理,而且不能承受如此高的溫度。由于釹鐵硼磁鐵的磁性很強,所以它可以被安裝在電機和無繩工具等緊湊的空間中。
鋱和鏑有時被添加到釹鐵硼磁體中,以使它們能夠承受更高的溫度。
永磁體屬性
比較永磁體有更科學的方法。剩磁是指磁場的強度,矯頑力是指材料的抗退磁能力,能量積是磁能的密度,居里溫度是材料失去磁性的點。
功能和應用
電動機用磁鐵把電能轉換成機械能。永磁體被放置在導電物質中,來自磁體的磁場帶動另一件設備,使電機快速旋轉。永磁體也可以起到相反的作用,將機械力轉化為電力。將兩塊永磁體相對放置會產生斥力,使渦輪旋轉,渦輪就會轉動一個叫做電樞的旋轉線圈,從而產生電能。
自上世紀90年代釹磁鐵變得更便宜以來,釹磁鐵在許多高科技應用中取代了早期的鋁鎳鈷和鐵氧體永磁。常見用途包括計算機硬盤驅動器、風力渦輪機、揚聲器/耳機、MRI掃描儀、無繩工具電機;以及燃油汽車、混合動力和電動汽車的各種電機,甚至各種工業電機。
順便說一句,釹是鎳金屬氫化物(鎳氫)電池中發現的稀土元素的混合物之一,鎳氫電池的陽極通常是鑭、鈰、釹和鐠的混合物。
美國軍方是永久磁鐵的重要買家。隱形直升機的消聲技術葉片中含有釹磁鐵。
飛機使用它們作為電機和執行機構,就像美國海軍的Zumwalt DDG 1000制導軍用驅逐艦(艦上的感應電機巡航時產生58兆瓦的電力),中心安裝的電力牽引驅動器和集成啟動發電機一樣。飛機電氣系統采用釤鈷永磁來發電。
對這些磁鐵材料的需求只會增長,尤其釹的需求。
因此,討論是否有足夠的磁鐵材料,尤其是稀土元素,來滿足人們的需求,這是一個合情合理的問題。
中國是最大的稀土開采、加工、供應商。(綜合編繹)
王龍明