네오디뮴 자석

Neodymium magnet
하드 디스크 드라이브의 브래킷에 니켈 도금된 네오디뮴 자석
니켈도금 네오디뮴 자석 큐브
좌측: NdFeB214 고해상도 투과전자현미경 영상; 우측: 단위 셀이 표시된 결정구조
발명가 사가와 마사토는 2kg짜리 병으로 NdFeB 자석의 힘을 보여주고 있습니다.

네오디뮴 자석(Neodymium magnet, NdFeB, NIB 또는 Neo magnet)은 NdFeB214 정방정계 결정 구조를 형성하기 위해 네오디뮴, 붕소합금으로 제조되는 영구 자석입니다.[1] 그들은 가장 널리 사용되는 희토류 자석 유형입니다.[2]

1984년 General Motors와 Sumitomo Special Metals에 의해 독자적으로 [3][4][5]개발된 네오디뮴 자석은 상업적으로 이용 가능한 가장 강력한 영구 자석 유형입니다.[1][6] 무선 공구의 전기 모터, 하드 디스크 드라이브 및 마그네틱 패스너와 같이 강력한 영구 자석을 필요로 하는 현대 제품의 많은 응용 분야에서 다른 유형의 자석을 대체했습니다.

NdFeB 자석은 사용되는 제조 공정에 따라 소결 또는 접합으로 분류할 수 있습니다.[7][8]

역사

General Motors (GM)와 Sumitomo Special Metals는 독립적으로 NdFeB214 화합물을 1984년 거의 동시에 발견했습니다.[3] 이 연구는 초기에 개발된 SmCo 영구자석의 높은 원료 비용에 의해 주도되었습니다. GM은 용융방사형 나노결정 NdFeB214 자석 개발에 주력했고, 스미토모는 전밀도 소결 NdFeB214 자석을 개발했습니다.[9]

GM은 1986년 Magnequench를 설립하여 등방성 Neo 분말, 접합된 Neo 자석 및 관련 생산 공정의 발명을 상업화했습니다(Magnequench는 이후 Neo Materials Technology, Inc.의 일부가 되었고, 이후 Molycorp로 합병되었습니다). 이 회사는 접합 자석 제조업체에 용융 방사된 NdFeB214 분말을 공급했습니다. 스미토모 시설은 Hitachi Corporation의 일부가 되었고, 소결된 NdFeB214 자석을 생산하기 위해 다른 회사를 제조하기도 했지만 라이선스도 받았습니다. 히타치는 네오디뮴 자석을 커버하는 600개 이상의 특허를 보유하고 있습니다.[9]

중국 제조업체들은 세계 희토류 광산의 상당 부분을 장악한 것을 기반으로 네오디뮴 자석 생산의 지배적인 세력이 되었습니다.[10]

미국 에너지부는 영구자석 기술에서 희토류 금속의 대체물을 찾아야 할 필요성을 발견하고 그러한 연구에 자금을 지원했습니다. 첨단 연구 프로젝트 기관-에너지는 대체 재료를 개발하기 위해 중요 기술 분야의 희토류 대체 프로그램(REACT)을 후원했습니다. 2011년, ARPA-E는 희토류 대체 프로젝트에 자금을 지원하기 위해 3,160만 달러를 수여했습니다.[11] 네오디뮴은 풍력 터빈에 사용되는 영구 자석의 역할 때문에 재생 에너지로 작동하는 세계에서 지정학적 경쟁의 주요 대상 중 하나가 될 것이라는 주장이 제기되었습니다. 이러한 관점은 대부분의 풍력 터빈이 영구 자석을 사용하지 않는다는 것을 인식하지 못하고 확장된 생산에 대한 경제적 유인의 힘을 과소평가한다는 비판을 받아 왔습니다.[12]

특성.

강철 구체를 들어 올리는 네오디뮴 자석(작은 실린더)입니다. 이러한 자석은 자신의 무게의 수천 배를 들어올릴 수 있습니다.
유리판 위의 강유액은 아래에 네오디뮴 자석의 강한 자기장을 보여줍니다.

자기적 성질

네오디뮴은 순수한 형태로 자기적 특성을 갖는데, 특히 반강자성이지만 낮은 온도에서만 19K(-254.2°C, -425.5°F) 이하입니다. 그러나 철과 같은 전이 금속과 함께 네오디뮴의 일부 화합물은 구리 온도가 실온보다 훨씬 높은 강자성체입니다. 네오디뮴 자석을 만드는 데 사용됩니다.

네오디뮴 자석의 강도는 여러 가지 요인의 결과입니다. 가장 중요한 것은 정방정 NdFeB 결정 구조가 예외적으로 높은 일축 자기 결정 이방성(H ≈ 7 T – 자기장 세기 H는 A/m 대 A·m 자기 모멘트 단위)을 갖는다는 것입니다. 이는 물질의 결정이 특정 결정축을 따라 우선적으로 자화되지만 다른 방향으로 자화되기는 매우 어렵다는 것을 의미합니다. 네오디뮴 자석 합금은 다른 자석과 마찬가지로 제조 시 강력한 자기장 안에 정렬된 미세 결정립으로 구성되어 있어 자기 축이 모두 같은 방향을 가리키게 됩니다. 결정 격자의 자화 방향 전환에 대한 저항은 화합물에 매우 높은 강제성, 즉 반자성화에 대한 저항을 제공합니다.

네오디뮴 원자는 철에서 3개의 전자와 달리 전자 구조에[14] 4개의 을 이루지 않은 전자를 가지고 있기 때문에 큰 자기 쌍극자 모멘트를 가질 수 있습니다. 자석에서 전자는 짝을 이루지 않고 스핀이 같은 방향으로 정렬되어 자기장을 생성합니다. 이것은 NdFeB 화합물에 높은 포화 자화(J ≈ 1.6 T 또는 16 kG)와 일반적으로 1.3 테슬라스의 잔류 자화를 제공합니다. 따라서 최대 에너지 밀도는 J에 비례하므로 이 자기상은 많은 양의 자기 에너지(BH ≈ 512kJ/m 또는 64MG·Oe)를 저장할 수 있습니다.

이 자기 에너지 값은 부피 기준으로 '보통' 페라이트 자석의 약 18배, 질량 기준으로는 12배입니다. 이러한 자기 에너지 특성은 NdFeB 합금에서 최초로 상용화된 희토류 자석의 종류였던 사마륨코발트(SmCo) 자석보다 더 높습니다. 실제로 네오디뮴 자석의 자기적 특성은 사용되는 합금 조성, 미세 구조 및 제조 방법에 따라 달라집니다.

NdFeB214 결정 구조는 철 원자와 네오디뮴-보론 화합물의 교대 층으로 설명될 수 있습니다.[3] 반자성 붕소 원자는 자성에 직접적으로 기여하지 않고 강한 공유 결합으로 응집력을 향상시킵니다.[3] 상대적으로 낮은 희토류 함량(부피 12%, 질량 26.7%)과 사마륨코발트에 비해 네오디뮴과 철이 상대적으로 풍부하기 때문에 네오디뮴 자석은 다른 주요 희토류 자석 계열인 사마륨-코발트 자석보다 가격이 저렴합니다.[3]

네오디뮴 자석은 잔류물이 더 높고, 훨씬 높은 강제력과 에너지 제품을 가지고 있지만, 다른 많은 종류의 자석보다 퀴리 온도가 낮습니다. 테르븀디스프로슘을 포함한 특수 네오디뮴 자석 합금이 개발되어 퀴리 온도가 높아 더 높은 온도를 견딜 수 있습니다.[15]

다양한 영구자석의 자기적 특성
자석 Br
(T)
H
(kA/m)
BH맥스.
(kJ/m3)
TC
(°C) (°F)
NdFeB214, 소결된 1.0–1.4 750–2000 200–440 310–400 590–752
NdFeB214, 보세 0.6–0.7 600–1200 60–100 310–400 590–752
SmCo5, 소결체 0.8–1.1 600–2000 120–200 720 1328
Sm(Co, Fe, Cu, Zr),7 소결 0.9–1.15 450–1300 150–240 800 1472
알니코, 소결 0.6–1.4 275 10–88 700–860 1292–1580
Sr-페라이트, 소결 0.2–0.78 100–300 10–40 450 842

물리적 및 기계적 특성

NdFeB의 현미경 사진. 들쭉날쭉한 가장자리 영역은 금속 결정이고 내부의 줄무늬는 자기 영역입니다.
소결된 네오디뮴과 Sm-Co 자석의[16] 물성 비교
소유물 네오디뮴 스미코
잔량(T) 1–1.5 0.8–1.16
강압성(MA/m) 0.875–2.79 0.493–2.79
반동투과도 1.05 1.05–1.1
잔류온도계수(%/K) −(0.12–0.09) −(0.05–0.03)
강제력의 온도계수(%/K) −(0.65–0.40) −(0.30–0.15)
큐리온도(°C) 310–370 700–850
밀도(g/cm3) 7.3–7.7 8.2–8.5
열팽창계수, 자화와 평행(1/K) (3~4)x10−6 (5~9)x10−6
자화에 수직인 열팽창 계수(1/K) (1~3)x10−6 (10-13)x10−6
굴곡강도(N/mm2) 200–400 150–180
압축강도(N/mm2) 1000–1100 800–1000
인장강도(N/mm2) 80–90 35–40
비커스 경도(HV) 500–650 400–650
전기 저항(ω·cm) (110~170)x10−6 (50~90)x10−6

부식

이 네오디뮴 자석은 5개월 동안 날씨에 노출된 후 심하게 부식되었습니다.

소결 NdFeB는214 특히 소결 자석의 결정립계를 따라 부식에 취약한 경향이 있습니다. 이러한 유형의 부식은 자석이 작은 자성 입자의 분말로 부서지거나 표면 층이 파열되는 등 심각한 열화를 유발할 수 있습니다.

이 취약성은 많은 상업용 제품에서 대기 노출을 방지하기 위해 보호 코팅을 추가하여 해결됩니다. 니켈, 니켈-구리-니켈 및 아연 도금이 표준 방법이지만 다른 금속 또는 폴리머 및 래커 보호 코팅을 사용한 도금도 사용됩니다.[17]

온도민감도

네오디뮴은 음의 계수를 가지고 있는데, 이는 자기 에너지 밀도(BHmax)와 함께 강압성이 온도에 따라 감소한다는 것을 의미합니다. 네오디뮴-철-붕소 자석은 상온에서 높은 강압성을 갖지만, 온도가 100°C(212°F) 이상으로 상승함에 따라 퀴리 온도(320°C 또는 608°F 전후)까지 강압성이 급격히 감소합니다. 이러한 강압성의 저하는 풍력 터빈 및 하이브리드 차량 모터와 같은 고온 조건에서 자석의 효율을 제한합니다. 온도 변화로 인한 성능 저하를 억제하기 위해 디스프로슘(Dy) 또는 테르븀(Tb)이 첨가됩니다. 이 추가로 자석을 생산하는 데 더 많은 비용이 듭니다.[18]

등급들

네오디뮴 자석은 단위 부피당 자속 출력과 관련된 최대 에너지 제품에 따라 등급이 매겨집니다. 값이 높을수록 더 강한 자석을 나타냅니다. 소결 NdFeB 자석의 경우 널리 인정받는 국제적인 분류가 있습니다. 값의 범위는 N28에서 N55까지입니다. 값 앞의 첫 글자 N은 네오디뮴의 줄임말로, 소결된 NdFeB 자석을 의미합니다. 값 뒤에 오는 문자는 기본값(최대 80°C 또는 176°F)에서 TH(230°C 또는 446°F)까지의 고유한 강제력 및 최대 작동 온도(큐리 온도와 양의 상관 관계)를 나타냅니다.[19][20][21]

소결 NdFeB 자석 등급:[7][further explanation needed][22][unreliable source?]

  • N30 – N55
  • N30M – N50M
  • N30H – N50H
  • N30SH – N48SH
  • N30UH – N42UH
  • N28EH – N40EH
  • N28TH – N35TH

생산.

네오디뮴 자석의 제조 방법은 크게 두 가지입니다.

  • 고전적인 분말 야금학 또는 소결 자석 공정[23]
    • 소결된 Nd-자석은 원료를 용광로에서 녹인 후 주형으로 주조하고 냉각하여 잉곳을 형성함으로써 준비됩니다. 잉곳은 분쇄되고 밀링되며 분말은 조밀한 블록으로 소결됩니다. 그런 다음 블록을 열처리하고 모양대로 자르고 표면 처리하고 자화시킵니다.
  • 급속 응고 또는 접합 자석 공정
    • 접합된 Nd-자석은 NdFeB 합금의 얇은 리본을 용융방사하여 제조됩니다. 리본에는 무작위로 배향된 NdFeB214 나노 스케일 그레인이 포함되어 있습니다. 그런 다음 이 리본을 입자로 분쇄하고 폴리머와 혼합한 다음 압축 또는 사출 성형하여 결합 자석으로 만듭니다.

결합된 Neo Nd-Fe-B 분말은 열가소성 중합체의 매트릭스에 결합되어 자석을 형성합니다. 자기 합금 소재는 수냉식 드럼에 스플래시 퀀칭하여 형성됩니다. 금속 리본을 가루로 분쇄한 후 열처리하여 강압성을 향상시킵니다. 분말은 폴리머와 혼합되어 유리로 채워진 폴리머와 유사한 성형 가능한 퍼티를 형성합니다. 이것은 보관을 위해 펠릿화되며 나중에 사출 성형으로 성형할 수 있습니다. 성형 과정에서 외부 자기장이 작용하여 완성된 자석의 자기장을 향하게 합니다.[24][25]

2015년 일본 닛토덴코사는 네오디뮴 자석 재료를 소결하는 새로운 방법의 개발을 발표했습니다. 이 방법은 "유기/무기 하이브리드 기술"을 이용하여 점토와 같은 혼합물을 형성하고 소결을 위해 다양한 모양으로 제조할 수 있습니다. 예를 들어, 전기 모터의 성능을 향상시키기 위해, 소결 재료에 있어서의 자장의 불균일한 배향을 제어하는 것이 가능하다고 합니다. 2017년에 양산을 계획하고 있습니다.[26][27][needs update]

2012년 현재 중국에서는 매년 공식적으로 5만 의 네오디뮴 자석이 생산되고 있으며, 2013년에는 8만 톤의 "기업별" 축적이 이루어졌습니다.[28] 중국은 희토류 원소의 95% 이상을 생산하고 있으며 전 세계 희토류 자석의 약 76%를 생산하고 있을 뿐만 아니라 전 세계 네오디뮴의 대부분을 생산하고 있습니다.[29][9]

적용들

기존 마그넷 애플리케이션

고리자석
대부분의 하드 디스크 드라이브에는 강력한 자석이 내장되어 있습니다.
수동으로 작동하는 이 손전등은 네오디뮴 자석을 사용하여 전기를 생산합니다.

네오디뮴 자석은 강력한 영구 자석이 필요한 현대 기술의 무수히 많은 응용 분야에서 알니코와 페라이트 자석을 대체했습니다. 그들의 더 큰 강도는 주어진 응용 분야에서 더 작고 가벼운 자석을 사용할 수 있기 때문입니다. 몇 가지 예는 다음과 같습니다.

새 응용프로그램

정육면체 모양으로 조립된 네오디뮴 자석구

네오디뮴 자석의 더 큰 강도는 자석 보석 걸쇠, 포일 단열재 유지, 어린이 자석 건물 세트(및 기타 네오디뮴 자석 장난감) 및 현대 스포츠 낙하산 장비의 폐쇄 메커니즘의 일부와 같이 이전에 자석을 사용하지 않았던 분야의 새로운 응용 분야에 영감을 주었습니다.[33] 그들은 이전에 인기 있었던 탁상용 장난감 자석인 "버키볼"과 "버키큐브"의 주요 금속이지만, 일부 미국 소매업자들은 어린이 안전 문제 때문에 그것들을 팔지 않기로 선택했고,[34] 같은 이유로 캐나다에서 금지되었습니다.[35] 2016년 미국에서도 비슷한 금지령이 해제된 반면, CPSC가 권고한 최소 연령 요건은 현재 14세이고, 이제는 새로운 경고 라벨 요건이 있습니다.

네오디뮴 자석의 강도와 자기장 동질성은 초전도 선의 코일을 이용해 자기를 생산하는 초전도 자석의 대안으로 영상의학과에서 신체를 촬영하는 데 사용되는 개방형 자기공명영상(MRI) 스캐너의 도입으로 의료 분야에서도 새로운 응용 분야를 열었습니다. 밭의[37]

네오디뮴 자석은 위식도역류질환(GERD)을 치료하기 위해 하부식도 괄약근 주위에 외과적으로 이식된 자석[38] 띠인 외과적으로 배치된 역류방지 시스템으로 사용됩니다.[39] 또한 자기장에 대한 감각적 인식을 제공하기 위해 손가락 끝에 이식되었지만,[40] 이것은 바이오 해커와 분쇄기에서만 인기 있는 실험 절차입니다.[41]

유해성

희토류 자석이 발휘하는 더 큰 힘은 다른 종류의 자석에서는 발생하지 않을 수 있는 위험을 만들어냅니다. 수 입방 센티미터 이상의 네오디뮴 자석은 두 개의 자석 사이에 끼인 신체 부위나 자석과 철 금속 표면에 부상을 입히고 심지어 뼈가 부러질 정도로 강합니다.[42]

너무 가까이 다가간 자석들은 부서지기 쉬운 자석들을 칩핑하고 산산조각 낼 정도의 힘으로 서로 부딪힐 수 있고, 날아다니는 칩들은 다양한 부상들, 특히부상들을 일으킬 수 있습니다. 심지어 자석을 여러 개 삼킨 어린 아이들이 두 개의 자석 사이에 소화관 단면이 끼여 다치거나 사망하는 경우도 있었습니다.[43] 또한 자석이 있거나 자석이 부착된 기계로 작업할 경우 심각한 건강 위험이 될 수 있습니다.[44]

더 강한 자기장은 플로피 디스크신용카드와 같은 자기 매체를 지우고 시계와 CRT 유형 모니터의 그림자 마스크를 다른 유형의 자석보다 더 먼 거리에서 자화시킬 수 있기 때문에 기계 및 전자 장치에 위험할 수 있습니다. 일부 네오디뮴 자석에는 페로세륨이 포함되어 있기 때문에, 깨진 자석이 결합되면서 불꽃이 가벼운 부싯돌처럼 날아오르게 하는 화재 위험 요소로 작용할 수도 있습니다.

참고 항목

  • 자석낚시 – 야외수역에서 강자성체 탐색
  • 네오디뮴 자석 장난감 – 희토류 원소의 합금으로 만든 강력한 영구 자석 에 대한 이 표시된 페이지
  • 희토류 자석 – 희토류 원소의 합금으로 만든 강력한 영구 자석
  • 사마륨-코발트 자석 – 희토류 원소와 코발트의 합금으로 만들어진 강력한 영구 자석

참고문헌

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외부 링크