המדע מאחורי מגנטים ניודימיום: מה הופך אותם לכבדים כל כך?
הקדמה: היסטוריה קצרה של מגנטים NdFeB
בתחום המגנטיות, מגנטים ניודימיום הם ללא ספק כוכב זורח. הם התגלו לראשונה בשנת 1982, היו להם הזדמנות להתבסס בשוק עם תכונות המגנטיות יוצאות הדופן שלהם, וכיום הם נחשבים לחומר חיוני לפעילויות תעשייתיות מודרניות. בין החומרים המגנטיים המומלצים המוקדמים, הכוללים אלניקו ופרייט, מגנטים ניודימיום הם חזקים יותר ויש להם צפיפות אנרגיה גבוהה הרבה יותר. פריצת דרך דרמטית כזו מובילה לא רק להתקדמות במדע החומרים המגנטיים, אלא גם פותחת אפשרויות ללא תקדים של חדשנות בתחומים רבים.
הרכב החומרי: אבני הבניין של הכוח
תכולת החומר היא הסיבה העיקרית לכך שמגנטי ניודמיום מסוגלים לייצר כוח מדהים כזה. בעיקר, הם מורכבים מרכב של ניודמיום (Nd), ברזל (Fe), ובורון (B). תערובת חכמה כל כך של שלושת האלמנטים הללו מובילה לצורת מגנטים של ניודמיום בעלת תכונות מגנטיות נהדרות. כמו כן, על מנת להשיג ביצועים משופרים במיוחד של המגנט, היצרנים טוענים להוסיף כמות קטנה של יסודות נדירים יחסית שיש להם את היכולת לעשות זאת, למשל, דיספרוזיום (Dy) וטרביום (Tb). תוספים כאלה יאפשרו למגנט לעמוד בטמפרטורות גבוהות מבלי להתמוטט, וגם לאפשר לו לשפר באופן משמעותי את תכונות המגנטיות שלו.
יצרנים גם מגינים את המגנט מפני קורוזיה ופרמטה על ידי מתן ציפוי על פני השטח של המגנט למשל ניקל (ni) או אפוקסי. מלבד הגדלת תוחלת החיים של המגנט, ציפוי זה משפר גם את המראה של המגנט כמו גם את הפונקציונליות שלו.
מבנה אטומי
סיבה נוספת לכוח המגנטי החזק של מגנטים ניודימיום היא מבנה האטומי שלהם. עבור מגנט ניודימיום יעיל וחזק יותר, הוא צריך להיות מספר רב של יחידות תת מגנטיות הידועות בשם תחומים מגנטיים. החומרים המגנטיים הלא מטופלים, לעומת זאת, נראים לא מגנטיים מכיוון כיוון התחומים האלה אקראי.
כדי לייצר מגנט ניודימיום, הממוצע החוטט סינוס מכוון לכיוון אחיד לאחר שהוא מותך אבקה, וסדרו מסודר באמצעות צעדים פשוטים כגון סינטר ודיון תחת שדה מגנטי. בשל הסידור הייחודי של הממוצע הפחמי, מגנט ניודמיום דורש כוח קטן מאוד כדי להראות כוח מגנטי חזק, שהוא גורם מכריע בהחלטה על היכולת של מגנט ניודמיום קטן לעבוד.
תהליך מגנטיזציה
למגנטים ניודימיום יש תהליך ייצור מורכב ורגיש מאוד. ראשית, אבקת חומרי גלם מורכבת מניאודיום, ברזל ובורון מעורבבות באופן אחיד באמצעות טכניקות מתכת אבקה ולאחר מכן מתפרקות בטמפרטורות גבוהות על מנת ליצור מגנט צפוף. במהלך תהליך זה, ההקמה וההזדהות של תחומי המגנטיות מתחילים. עם זאת, על מנת למקסם את התואמות של תחומי המגנטיות ואת המאפיין המגנטי הטוב ביותר בכיתה כדי לקבל את המגנט המוגדר צריך שדה מגנטי חזק כדי להשלים את התואמות של תחומי המגנטיות.
ככל שהטכנולוגיה הקיימת מאחורי תהליכי הייצור משתפרת, כך גם מגיע מגוון גדול יותר של תהליכי הייצור המתקדמים כגון עיצוב ללא לחץ וודפסת 3D. תהליכים אלה לא רק משפרים את יעילות הייצור ואת איכות המגנטים אלא מאפשרים לפתח עיצובים מורכבים ומפורטים יותר של מגנטים.
יישומים הנובעים מכוחם
מגנטים ניודימיום משמשים לעתים קרובות בחלקיקים זעירים באלקטרוניקה לצרכן, מנוע תנודות, וגולשים במכשירים כגון סמארטפונים או פקודות אוזניים. מגנטים ניו-דימיום גם עוזרים לשפר את הציוד אשר הופך דק יותר ומדחוס יותר, אבל מגנטים ניו-דימיום גם יש את מחברים כבלים ייחודיים שלהם אשר הם מגנטים ניו-דימיום יש אפשרויות אינסופיות בתחומים שונים.
בתחום התעשייה, מגנטים ניודמיום משמשים למנועי ניודמיום, שהם אמינים, יעילים, חוסכים אנרגיה, ענק, והם חלק מהמערכות המכאניות של קווי ייצור אוטומטיים ורובוטים. כמו כן, במגזר האנרגיה המתחדשת, מגנטים ניודימיום משמשים גם במידה רבה בטורבינות רוח עם כונן ישיר. היעילות והיציבות שלהם יצרו השפעות כלכליות וסביבתיות גדולות במגזר אנרגיה רוחית.
