המדע מאחורי מגנטים ניאודימיום: מה הופך אותם לכל כך חזקים?

מבוא: היסטוריה קצרה של מגנטים NdFeB

בתחום המגנטיות, מגנטים ניאודימיום הם ללא ספק כוכב זוהר. הם התגלו לראשונה בשנת 1982, הייתה להם הזדמנות להשיג דריסת רגל בשוק עם התכונות המגנטיות יוצאות הדופן שלהם וכיום הם נחשבים לחומר חיוני לפעילות תעשייתית מודרנית. בין החומרים המגנטיים שהומצאו מוקדם, הכוללים את אלניקו ופריט, מגנטים ניאודימיום הם חזקים יותר ויש להם צפיפות אנרגיה הרבה יותר גדולה. פריצת דרך דרמטית כזו מובילה לא רק לקידום מדע החומרים המגנטיים, אלא גם פותחת אפשרויות חסרות תקדים של חידושים בתחומים רבים.

הרכב חומרים: אבני הבניין של הכוח

תכולת החומר היא בראש ובראשונה הסיבה לכך שמגנטים ניאודימיום מסוגלים לייצר כוח כה מדהים. לרוב, הם מורכבים מהרכב של ניאודימיום (Nd), ברזל (Fe) ובור (B). השילוב החכם כל כך של שלושת היסודות הללו יוצר צורה שלמגנטים ניאודימיוםבעל תכונות מגנטיות מפוארות. כמו כן, על מנת להשיג ביצועים משופרים במיוחד של המגנט, היצרנים טוענים להוסיף כמות קטנה של אלמנטים נדירים יחסית שיש להם את היכולת לעשות זאת, למשל, דיספרוסיום (Dy) וטרביום (Tb). תוספים כאלה יאפשרו למגנט לעמוד בטמפרטורות גבוהות מבלי להתמוטט וגם יאפשרו לו לשפר משמעותית את תכונותיו המגנטיות.

היצרנים גם מגנים על המגנט מפני קורוזיה וחלחול על ידי מתן ציפוי על פני השטח של המגנט, למשל ניקל (Ni) או אפוקסי. מלבד הארכת תוחלת החיים של המגנט, ציפויים אלה גם משפרים את מראה המגנט כמו גם את הפונקציונליות שלו.

מבנה אטומי

סיבה נוספת לכוח המגנטי החזק שיש למגנטים ניאודימיום היא המבנה האטומי שלהם. עבור מגנט ניאודימיום יעיל וחזק יותר, הוא צריך להיות בעל מספר גבוה של תת-יחידות מגנטיות הידועות כתחומים מגנטיים. החומרים המגנטיים שאינם מטופלים, לעומת זאת, נראים לא מגנטיים מכיוון שהכיוונים של תחומים אלה הם אקראיים.

כדי לייצר מגנט ניאודימיום, ממוצע הסינוס מכוון לכיוון אחיד לאחר המסת אבקה, וסדרו מסודר באמצעות צעדים פשוטים כגון סינטור ויישור תחת שדה מגנטי. בשל הסידור הייחודי של ממוצע האבקה, מגנט ניאודימיום דורש מעט מאוד כוח כדי להראות כוח מגנטי חזק, שהוא גורם מכריע בהחלטה כמה טוב מגנט ניאודימיום קטן עובד.

תהליך המגנטיזציה

למגנטים ניאודימיום יש הליך ייצור מורכב ורגיש מאוד. בתור התחלה, אבקות מחומרי גלם המורכבות מניאודימיום, ברזל ובורון מעורבבות באופן אחיד באמצעות טכניקות של אבקת מטלורגיה ולאחר מכן מסונטרות בטמפרטורות גבוהות על מנת ליצור מגנט צפוף. במהלך תהליך זה מתחילה היווצרות ויישור של התחומים המגנטיים. עם זאת, על מנת למקסם את היישור של התחומים המגנטיים ואת התכונה המגנטית הטובה מסוגה שניתן לקבל, מגנט מסונטר מיושר דורש שדה מגנטי חזק כדי להשלים את היישור של התחומים המגנטיים.

ככל שהטכנולוגיה הקיימת מאחורי תהליכי הייצור משתפרת, כך מגיע גם מגוון גדול יותר של תהליכי ייצור מתקדמים כגון תבניות ללא לחץ והדפסה תלת מימדית. תהליכים אלה לא רק משפרים את יעילות הייצור ואיכות המגנטים, אלא מאפשרים לפתח עיצובים מורכבים ומפורטים יותר של מגנטים.

יישומים הנגזרים מעוצמתם

מגנטים ניאודימיום משמשים לעתים קרובות במיקרו-רכיבים במוצרי צריכה אלקטרוניים, מנועי רטט ורמקולים במכשירים כגון טלפונים חכמים ואוזניות. מגנטים ניאודימיום גם לעזור לשפר את הציוד אשר הופך דק וקומפקטי יותר, אבל מגנטים ניאודימיום יש גם מחברי כבל ייחודיים שלהם שהם מגנטים ניאודימיום יש הזדמנויות אינסופיות על פני תחומים שונים.

בתחום התעשייתי, מגנטים ניאודימיום משמשים עבור מנועי ניאודימיום, שהם אמינים, יעילים, חסכוניים באנרגיה, מומנט גבוה, והם חלק מהמערכות המכניות עבור קווי ייצור אוטומטיים ורובוטים. כמו כן, בתחום האנרגיה המתחדשת, מגנטים ניאודימיום משמשים בעיקר גם בטורבינות רוח בהנעה ישירה. יעילותם ויציבותם יצרו השפעות כלכליות וסביבתיות רבות בתחום אנרגיית הרוח.