稀土磁铁

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介绍

稀土磁铁发现于20世纪70年代和80年代，被认为是卓越的永磁体类型。磁体的结构由地球上不存在的稀土元素构成。稀土元素中电子的排列使它们能够产生强大的磁场。物理学家证明，稀土元素非常昂贵；然而，磁场非常强大，可以制造出非常小的磁铁。与铝镍钴磁铁和铁氧体磁铁相比，稀土磁铁产生的磁场要强大得多。稀土元素的磁场强度超过1.4特斯拉，而铁氧体和铝镍钴磁铁的磁场强度范围为0.5-1.0特斯拉。

什么是稀土磁铁？

合金的成分有助于形成稀土磁铁。磁铁因其吸引力和排斥力而广为人知。同样，地磁也像磁铁一样工作，但它是一个较弱的磁铁 (Miyake & Akai, 2018)。

在地球磁场中，液态外核中的电流主要产生地球磁铁效应，该磁铁由导电的熔融铁组成。

图1：稀土磁铁

稀土磁铁是气候经济产品（如风力涡轮机、电动汽车）和其他技术（如冰箱、手机、飞机和导弹）中极其重要的组成部分。

稀土磁铁对于电动汽车、清洁能源、国防和消费电子产品的制造至关重要。中国是最大的生产控制者，在稀土组件方面发挥着重要作用。

稀土磁铁的分类

稀土磁铁分为两大类：钕磁铁和钐钴磁铁。

钕磁铁：这种磁性元素发现于20世纪80年代，被认为是最便宜的稀有磁铁类型。制造稀土磁铁需要铁、硼和钕合金。这种稀土磁铁被广泛应用于需要强大磁力的场合 (Smith & Eggert, 2018)。

钕磁铁具有更高的强度和矫顽力。这种磁铁的发现使得许多电子设备和仪器的微型化成为可能。

钐钴磁铁：这种稀土磁铁的化学式为SmCo5。这种类型的磁铁磁场强度最低，成本最高，因此与钕磁铁相比，使用较少。这种磁铁的居里温度非常高，使其成为需要在高温下保持强度的应用的理想选择 (Luo & Chen, 2020)。钴磁铁的抗力较差，容易碎裂，非常易损。

稀土磁铁的用途

由于20世纪90年代竞争加剧，铝镍钴磁铁和铁氧体磁铁已被钕磁铁取代。20世纪90年代，人们更倾向于使用更轻、更轻便的磁铁，因为它们具有更高的强度。正如Kumar等人 (2019) 所述，稀土磁铁的一些常见应用包括计算机硬盘驱动器、风力涡轮机发电机、扬声器和耳机。此外，稀土磁铁还用于核磁共振扫描仪、鱼线轮刹车器、无线工具以及工业领域产品的优先级管理。理想情况下，稀土磁铁用于医疗设备，以检测人体内的癌症。

稀土磁铁是如何制造的

稀土磁铁是通过粉末冶金法制造的，这通常被认为是制造磁铁最强大的方法。在稀土磁铁的制造过程中，适当的成分被粉碎。这就是为什么这些磁铁被称为烧结磁铁的主要原因。在惰性气体或真空条件下，在设备中生成熔融合金，合适的原材料被熔化 (Fischbacher et al. 2018)。

带式铸造机是这里使用的设备，它使熔融物可以浇铸或薄薄地浇铸到模具或平板上。将块状物压碎并用于制造尺寸范围为3至7微米的细粉。

图2：稀土磁铁

这种粉末具有自燃性，在空气中具有化学反应性。其他金属包括颗粒排列，以便最终磁体的所有区域都指向建议的方向 (Popov et al. 2018)。此过程中的一个过程称为轴向或横向压制。

结论

稀土金属是独一无二的特殊金属，它们具有耐热、磁性和磷光特性，这是其他任何组件都不具备的。稀土磁铁经常会失去强度，因为磁畴被固定，从而使持久磁铁能够抵抗外部磁场。稀土磁铁还用于线性电机、抗磁悬浮、定格动画（用于实现电磁轴承和抗磁悬浮），以及LED投射器。稀土磁铁还用于制作磁性玩具和磁性微型人物。

常见问题

问1. 稀土磁铁的寿命有多长？

如果稀土磁铁保持在最高温度或试图粗暴破坏它们，其寿命将几乎损失1%。由于稀土磁铁的特性通常会逐渐退化，因此其寿命可持续100到200年。

问2. 为什么稀土磁铁具有很强的磁性？

这种类型的磁铁的晶体结构具有非常高的磁各向异性。这意味着晶体沿特定晶轴优先磁化，而难以沿其他方向磁化。

问3. 稀土磁铁会生锈吗？

钕磁铁容易腐蚀，随着时间的推移，大气中的水分可能会导致腐蚀。钕磁铁涂层通常是镍层，然后是铜镍层。

问4. 稀土磁铁能承受多大的重量？

一个稀土磁铁大约可以承受200磅的重量。这是基于水平放置的情况，如果垂直放置，则会减少三分之二。

参考文献

期刊

Fischbacher, J., Kovacs, A., Gusenbauer, M., Oezelt, H., Exl, L., Bance, S., & Schrefl, T. (2018). Micromagnetics of rare-earth efficient permanent magnets. Journal of Physics D: Applied Physics, 51(19), 193002. Retrieved from: https://iopscience.iop.org

Kumar, R. R., Zou, T., La Rocca, A., Vakil, G., Gerada, D., Walker, A., ... & Fernandes, B. G. (2019, October). High power high speed pm-assisted synrel machines with ferrite and rare earth magnets for future electric commercial vehicles. In IECON 2019-45th Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society (Vol. 1, pp. 1083-1088). IEEE. Retrieved from: https://ieeexplore.ieee.org

Luo, Z. X., & Chen, G. (2020). Honeycomb rare-earth magnets with anisotropic exchange interactions. SciPost Physics Core, 3(1), 004. Retrieved from: https://www.scipost.org

Miyake, T., & Akai, H. (2018). Quantum theory of rare-earth magnets. Journal of the Physical Society of Japan, 87(4), 041009. Retrieved from: https://journals.jps.jp

Popov, V., Koptyug, A., Radulov, I., Maccari, F., & Muller, G. (2018). Prospects of additive manufacturing of rare-earth and non-rare-earth permanent magnets. Procedia Manufacturing, 21, 100-108. Retrieved from: https://www.sciencedirect.com

Smith, B. J., & Eggert, R. G. (2018). Costs, substitution, and material use: the case of rare earth magnets. Environmental science & technology, 52(6), 3803-3811. Retrieved from: https://pubs.acs.org

网站

Nist (2022). About Securing America's future through rare-earth-free magnets. Retrieved from: https://www.nist.gov [检索日期：2022年6月11日]