희토류 자석

Rare-earth magnet
유리 위에 자성유체가 있고, 그 밑에 희토류 자석이 있습니다.

희토류 자석은 희토류 원소의 합금으로 만들어진 강한 영구 자석이다.1970년대와 1980년대에 개발된 희토류 자석은 영구 자석의 가장 강한 종류로 페라이트나 알니코 자석과 같은 다른 종류보다 훨씬 강한 자기장을 생성한다.일반적으로 희토류 자석에 의해 생성되는 자기장은 1.2테슬라를 초과할 수 있는 반면 페라이트 또는 세라믹 자석은 일반적으로 0.5에서 1테슬라의 자기장을 보입니다.

네오디뮴 자석과 사마륨-코발트 자석의 두 종류가 있습니다.희토류 자석은 매우 부서지기 쉽고 부식에 취약하기 때문에 깨지거나 깨지거나 가루로 부서지는 것을 방지하기 위해 도금 또는 코팅되어 있습니다.

희토류 자석의 개발은 K. J. Strnat와 G.가 1966년경에 시작되었다.미국 공군 재료 연구소의 호퍼는 이트륨과 코발트의 합금인 YCO가5 지금까지 알려진 물질 [1][2]중 가장 큰 자기 이방성 상수를 가지고 있다는 것을 발견했습니다.

"희토류"라는 용어는 오해를 불러일으킬 수 있는데, 이러한 금속들 중 일부는 주석이나 [5]납처럼 지구의 지각에 풍부할[3][4] 수 있기 때문이다. 그러나 희토류 광석은 (석탄이나 구리와 같은) 이음새에 존재하지 않기 때문에, 주어진 입방 킬로미터의 지각에서는 "희토류"이다.주요 출처는 현재 [6]중국이다.일부 국가는 희토류 금속을 전략적으로 [7]중요한 것으로 분류하고 있으며, 최근 이러한 물질에 대한 중국의 수출 제한은 희토류 금속을 필요로 하지 않는 강한 자석을 개발하기 위한 연구 프로그램을 시작하도록 만들었다.

강철 볼을 들어올리는 네오디뮴 자석(작은 실린더).여기 보이는 것처럼, 희토류 자석은 자기 무게의 수천 배를 쉽게 들어올릴 수 있다.

강도의 설명

희토류(랜타니드) 원소는 강자성 금속으로 철처럼 자화할 수 있지만 퀴리온도(강자성이 사라지는 온도)는 상온보다 낮기 때문에 순수한 형태로만 자성이 나타납니다.그러나 철, 니켈, 코발트와 같은 전이 금속과 화합물을 형성하며, 이들 화합물 중 일부는 상온보다 훨씬 높은 퀴리 온도를 가지고 있습니다.희토류 자석은 이 화합물들로 만들어진다.

희토류 자석의 강도가 높은 것은 주로 다음 두 가지 요인 때문입니다.

  • 첫째, 그들의 결정구조는 매우 높은 자기 이방성을 가지고 있다.이는 재료의 결정이 특정 결정축을 따라 우선적으로 자화되지만 다른 방향으로 자화하기는 매우 어렵다는 것을 의미합니다.다른 자석과 마찬가지로 희토류 자석은 미세 결정 입자로 구성되는데, 이 입자들은 제조 과정에서 강력한 자기장에 정렬되어 있기 때문에, 그 자기축은 모두 같은 방향을 가리키게 됩니다.결정 격자의 자화 방향 선회에 대한 저항은 이러한 화합물에 매우 높은 자기 보자기성(소자 저항)을 부여하여 완성된 자석 내의 강한 소자장이 재료의 자화를 감소시키지 않습니다.
  • 둘째, 희토류 원자는 높은 자기 모멘트를 가질 수 있다.그들의 궤도 전자 구조는 많은 짝이 없는 전자들을 포함하고 있다; 다른 원소들에서는, 거의 모든 전자들이 반대 스핀들과 쌍으로 존재하기 때문에, 그들의 자기장은 상쇄되지만, 희토류에서는 훨씬 더 적은 자기 상쇄가 있다.이는 최대 7개의 비쌍 전자를 포함할 수 있는 f-shell의 불완전한 충전의 결과입니다.자석에서는 같은 방향으로 회전하도록 정렬된 쌍이 없는 전자가 자기장을 생성합니다.이것에 의해, 재료의 잔존성이 높아집니다(포화 자화s J).최대 에너지 밀도 B·H는max J에s2 비례하므로 대량의 자기 에너지를 저장할 수 있습니다.네오디뮴 자석의 자기 에너지 생성물 B·H는max 부피 면에서 "일반" 자석의 약 18배입니다.이를 통해 희토류 자석이 같은 전계 강도를 가진 다른 자석보다 작아질 수 있습니다.

자기 특성

영구 자석을 비교하는 데 사용되는 몇 가지 중요한 특성은: 자기장의 강도를 측정하는 잔류성r(B), 재료의 소자 저항성(Hci), 에너지 생성물(B·Hmax), 그리고 재료가 자성을 잃는 온도인 퀴리 온도(TC)입니다.희토류 자석은 잔류량이 높고, 보자기력과 에너지 생성물이 훨씬 높지만, (네오디뮴의 경우) 퀴리 온도가 다른 유형보다 낮습니다.아래 표는 네오디뮴(NdFeB214)과 사마륨-코발트(SmCo5) 두 종류의 희토류 자석의 자기 성능을 다른 유형의 영구 자석과 비교한 것입니다.

재료. 준비 Br
(T)		 Hci
(kA/m)		 B·H맥스.
(kJ/m3)		 TC
(°C)
Nd2Fe14B 소결되었다 1.0–1.4 750–2000 200–440 310–400
Nd2Fe14B 보세된 0.6–0.7 600–1200 60–100 310–400
SMCO5 소결되었다 0.8–1.1 600–2000 120–200 720
SM(Co, Fe, Cu, Zr)7 소결되었다 0.9–1.15 450–1300 150–240 800
알니코 소결되었다 0.6–1.4 275 10–88 700–860
Sr-페라이트 소결되었다 0.2–0.4 100–300 10–40 450
철(Fe)봉 자석 풀렸다 ? 800[8] ? 770[9]

출처:[citation needed]

종류들

사마리움코발트

주요 기사: 사마리움-코발트 자석

사마륨-코발트 자석(화학식: SmCo)은5 네오디뮴 자석보다 비용이 높고 자기장 강도가 낮기 때문에 덜 사용됩니다.그러나 사마륨-코발트는 퀴리 온도가 더 높기 때문에 높은 작동 온도에서 높은 전계 강도가 필요한 애플리케이션에서 이러한 자석을 위한 틈새를 만듭니다.소결 사마륨-코발트 자석은 산화에 매우 강하지만 부서지기 쉽고 깨지기 쉬우며 열 충격을 받으면 깨질 수 있습니다.

네오디뮴

주요 기사:네오디뮴 자석
니켈 도금이 대부분 제거된 네오디뮴 자석

1980년대에 발명된 네오디뮴 자석은 가장 강하고 저렴한 형태의 희토류 자석이다.그것들은 네오디뮴, 철, 붕소(NdFeB214)의 합금으로 만들어지며, 때때로 NIB로 줄여지기도 합니다.네오디뮴 자석은 무선 공구용 전기 모터, 하드 디스크 드라이브, 자기 홀드다운, 보석 고정 장치 등 강하고 콤팩트한 영구 자석이 필요한 수많은 용도에 사용됩니다.이들은 자기장 강도가 가장 높고 보자기성이 더 높지만 퀴리 온도가 낮으며 사마륨-코발트 자석보다 산화에 더 취약합니다.

부식으로 인해 보호되지 않은 자석이 표면층에서 튀어 나오거나 가루로 부서질 수 있습니다.금, 니켈, 아연 및 주석 도금 및 에폭시 수지 코팅과 같은 보호 표면 처리를 사용하면 부식 방지 효과를 얻을 수 있습니다. 네오디뮴 자석의 대부분은 니켈 도금을 사용하여 견고한 보호를 제공합니다.

원래 이러한 자석은 비용이 많이 들기 때문에 소형화와 높은 전계 강도를 필요로 하는 용도로만 사용이 제한되었습니다.원재료와 특허권 모두 비쌌다.그러나 1990년대 이후 NIB 자석은 꾸준히 저렴해졌고, 그 저렴한 가격은 자석 건축 완구와 같은 새로운 용도에 영감을 주었다.

위험 요소

희토류 자석이 가하는 힘이 커지면 다른 종류의 자석에서는 볼 수 없는 위험이 발생합니다.몇 센티미터보다 큰 자석은 두 개의 자석이나 자석과 금속 표면 사이에 끼인 신체 부위에 부상을 입히거나 뼈가 [10]부러질 정도로 강합니다.자석끼리 너무 가까이 접근하면 부서지기 쉬운 물질이 부서지고 부서질 정도의 힘으로 서로 부딪칠 수 있으며, 날아다니는 칩이 부상을 입힐 수 있습니다.2005년부터 장난감이나 자석 공사장에서 떨어져 나온 강력한 자석이 부상과 [11]사망을 일으키기 시작했다.여러 개의 자석을 삼킨 어린 아이들은 자석 사이에 소화관이 접혀서 부상을 입게 되고, 한 가지 경우 장 천공, 패혈증, [12]사망에 이르게 된다.

삼키는 것을 방지하기 위해 강한 자석을 영구적으로 융합하고 연결되지 않은 자석의 강도를 제한하는 장난감의 자발적 표준이 [11]2007년에 채택되었습니다.2009년에는 성인용 마그네틱 탁상 완구 판매가 급성장하면서 부상자가 급증해 2012년에는 3,[11]617명이 응급실을 찾은 것으로 추정됐다.이에 대해 미국 소비자제품안전위원회는 2012년 소비자제품의 희토류 자석 크기를 제한하는 규정을 통과시켰으나 2016년 11월 미국 연방법원의 결정으로 무효화됐다.[13]이 규정이 무효화된 후, 이 나라의 섭취 건수는 급격히 증가하여 [11]2019년에는 1,500건을 넘을 것으로 추정된다.

상세 정보:네오디뮴 자석 완구

적용들

1990년대 가격 경쟁력이 생긴 이후 네오디뮴 자석은 강력한 자석을 필요로 하는 현대 기술의 많은 응용 분야에서 알니코와 페라이트 자석을 대체하고 있습니다.강도가 높기 때문에 특정 용도에 더 작고 가벼운 자석을 사용할 수 있습니다.

일반적인 응용 프로그램

네오디뮴 자석 볼

희토류 자석의 일반적인 용도는 다음과 같습니다.

  • 컴퓨터 하드 디스크 드라이브
  • 풍력 터빈 발전기
  • 스피커/헤드폰
  • 자전거 동력 장치
  • MRI 스캐너
  • 낚시용 릴 브레이크
  • 무선 공구의 영구 자석 모터
  • 고성능 AC 서보 모터
  • 하이브리드 및 전기 자동차의 트랙션 모터 및 통합 시동 발전기
  • 흔들림 운동 또는 회전(수동 구동) 운동을 위해 희토류 자석을 사용하는 기계식 손전등
  • 제품 순수성 유지, 장비 보호, 품질 관리 등의 산업 용도
  • 윤활유(내연기관의 케이스, 기어박스 및 디퍼렌셜도 포함)에 미세한 금속 입자를 포착하여 해당 입자가 순환하지 않도록 함으로써 가동 기계 부품의 연마 마모를 야기할 수 없는 것

기타 응용 프로그램

희토류 자석의 다른 응용 분야는 다음과 같습니다.

희토류 없는 영구 자석

미국 에너지부는 영구 자석 기술에서 희토류 금속의 대체품을 찾아야 할 필요성을 발견하고 이러한 연구에 자금을 대기 시작했다.Advanced Research Projects Agency-Energy(ARPA-E)는 대체 재료 개발을 위해 REACT(Rare Earth Alternative in Critical Technologies) 프로그램을 후원하고 있습니다.2011년에 ARPA-E는 희토류 대체 [14]프로젝트에 자금을 대는 데 3,160만 달러를 지급했습니다.

재활용 노력

유럽연합의 ETN-Demeter 프로젝트(희토류 영구 자석 모터 및 하이브리드 및 풀 전기 [15]자동차의 발전기 설계 및 재활용을 위한 유럽 훈련 네트워크)는 자동차에 사용되는 전기 모터의 지속 가능한 설계를 검토 중이다.예를 들어, 그들은 희토류 금속을 재활용하기 위해 자석을 쉽게 제거할 수 있는 전기 모터를 설계하고 있습니다.

유럽연합의 유럽 연구 이사회는 또한 수석 조사관인 교수에게 수여했다.Thomas Zemb와 공동 연구 책임자인 Jean-Christophe P. Gabriel 박사는 [16]희토류 재활용을 위한 새로운 과정을 발견하는 것을 목표로 한 프로젝트 "희토류 원소 리사이클링: RE-CYCLE"의 고급 연구 조성금입니다.

「 」를 참조해 주세요.

  • 순환 경제 – 자원 투입과 폐기물, 배출 및 에너지 누출을 최소화하는 재생 시스템
  • 란타니드 – 3가 금속 희토류 원소
  • 자석낚시– 야외수역에서의 강자성물체 수색
  • 재활용 – 폐자재의 신상품화
  • 사마륨-코발트 자석– 희토류 원소와 코발트의 합금으로 만든 강력한 영구 자석
  • 네오디뮴 자석– 네오디뮴, 철 및 붕소의 합금으로 이루어진 가장 강한 유형의 영구 자석

레퍼런스

  1. ^ Cullity, B. D.; Graham, C. D. (2008). Introduction to Magnetic Materials. Wiley-IEEE. p. 489. ISBN 0-471-47741-9.
  2. ^ Lovelace, Alan M. (March–April 1971). "More Mileage Than Programmed From Military R&D". Air University Review. US Air Force. 22 (3): 14–23. Retrieved July 4, 2012.
  3. ^ McCaig, Malcolm (1977). Permanent Magnets in Theory and Practice. USA: Wiley. p. 123. ISBN 0-7273-1604-4.
  4. ^ Sigel, Astrid; Helmut Sigel (2003). The lanthanides and their interrelations with biosystems. USA: CRC Press. pp. v. ISBN 0-8247-4245-1.
  5. ^ Bobber, R. J. (1981). "New Types of Transducers". Underwater Acoustics and Signal Processing. p. 243. doi:10.1007/978-94-009-8447-9_20. ISBN 978-94-009-8449-3.
  6. ^ Walsh, Bryan (March 13, 2012). "Raring to Fight: The U.S. Tangles with China over Rare-Earth Exports". Time Magazine. Retrieved November 13, 2017.
  7. ^ Chu, Steven (2011). Critical Materials Strategy. DIANE Publishing. pp. 96-98. ISBN 1437944183. China rare earth magnets.
  8. ^ 자석 및 자성 재료 소개, David Jiles, Ames Laboratrories, US DoE, 1991
  9. ^ 3 출처:
    • 베이크너와 서웨이입니다과학자와 엔지니어를 위한 물리학과 현대 물리학.제5판Orlando: Saunders College, 2000: 963.
    • 퀴리 온도"McGrow-Hill 과학기술 백과사전.제8판 20볼스N.P: 맥그로힐, 1997년
    • 홀, H.E., J.R.후크, 고체물리학.제2판Chichester: John Wiley & Sons Ltd, 1991: 226.
  10. ^ Swain, Frank (March 6, 2009). "How to remove a finger with two super magnets". The Sciencepunk Blog. Seed Media Group LLC. Retrieved 2017-11-01.
  11. ^ a b c d 산업계가 자체 정책을 시행함에 따라 위험한 자석을 삼키는 어린이의 수가 급증하고 있습니다.
  12. ^ "Magnet Safety Alert" (PDF). U.S. Consumer Product Safety Commission. Retrieved 20 July 2014.
  13. ^ "CPSC Recall Snapshot" (PDF). Alston & Bird. December 2016.
  14. ^ "Research Funding for Rare Earth Free Permanent Magnets". ARPA-E. Retrieved 23 April 2013.
  15. ^ "DEMETER project". etn-demeter.eu.
  16. ^ "REE-CYCLE project". cordis.europa.eu.

추가 정보

외부 링크