Неодимовые магниты в настоящее время занимают лидирующую позицию среди постоянных магнитов, охватывая приблизительно 95% всего мирового рынка. Важно отметить, что эти магниты представляют собой не чистый неодим, а сложный сплав, включающий редкоземельный элемент неодим, бор и железо. Точная химическая формула этого сплава — Nd2Fe14B.
Появление технологии производства неодимовых магнитов в 80-х годах XX века ознаменовало собой настоящий переворот в промышленности. Сфера применения этих магнитов охватила широчайший спектр устройств и механизмов. Они нашли применение в приводах CD-проигрывателей, жестких дисках компьютеров (HDD), серводвигателях, шаговых двигателях и даже в высокотехнологичных медицинских аппаратах магнитно-резонансной томографии (МРТ). Согласно прогнозам экспертов, в ближайшие несколько лет ожидается значительный рост объема продаж неодимовых магнитов. Предполагается, что годовой оборот превысит отметку в 20 млрд долларов. Этот рост во многом обусловлен массовым переходом автомобильной промышленности на производство электромобилей.
Феноменальный успех неодимовых магнитов вполне объясним: при сравнительно невысокой стоимости и компактных размерах они обладают исключительно высокими показателями коэрцитивной силы и остаточной намагниченности. Те, кто имел дело с неодимовыми магнитами, знают, насколько сложно бывает отделить их друг от друга после слипания — это наглядно демонстрирует их впечатляющие магнитные свойства.
Однако история открытия неодимовых магнитов не столь однозначна, как может показаться на первый взгляд. До сих пор ведутся дискуссии о приоритете в этом открытии. Интересно рассмотреть, как два исследователя, работая независимо друг от друга в совершенно разных уголках земного шара, совершили революционный прорыв в области магнитных материалов.
Для полного понимания уникальности неодимовых магнитов и сложности процесса их открытия необходимо обратиться к базовым принципам магнетизма. Рассмотрим, почему постоянный магнит вообще обладает магнитными свойствами.
Как известно, электрический ток в проводнике представляет собой направленное движение электронов под воздействием электрического поля. Это движение, согласно фундаментальному закону Ампера и более общим уравнениям Максвелла, порождает собственное магнитное поле. На этом принципе основана работа электромагнитов: при подаче напряжения по виткам проводника начинает течь ток, создающий магнитное поле. Чем больше витков в обмотке, тем выше магнитная индукция создаваемого поля.
Рис. Направление напряженности магнитного поля определяется по правилу правой руки
При помещении предмета из ферромагнитного материала в образовавшееся магнитное поле наблюдается его притяжение к электромагниту. Однако что именно делает материал ферромагнитным?
Для ответа на этот вопрос необходимо рассмотреть строение вещества на микроскопическом уровне. Согласно планетарной модели атома, предложенной Резерфордом, в центре атома находится ядро, вокруг которого по определенным орбитам вращаются электроны. По сути, вращение электрона представляет собой миниатюрный электрический ток. В результате этого движения электрон создает собственное магнитное поле, характеризуемое магнитным (дипольным) моментом. Этот момент напрямую связан с более общей характеристикой — орбитальным моментом импульса электрона, который не следует путать со спином, являющимся сугубо квантовой величиной.
Интересно отметить, что магнитный момент обладает примечательным свойством: как и многие величины в квантовом мире, он кратен некоторому фундаментальному числу. Это число называется магнетоном Бора и выводится через фундаментальные физические константы: массу электрона, скорость света и постоянную Планка. В международной системе единиц СИ величина магнетона Бора составляет приблизительно 927,4⋅10−26 Дж/Тл.
Для проявления магнитного момента и возникновения магнитных свойств вещества необходимо наличие в его атомах нескомпенсированных электронов. Внешнее магнитное поле ориентирует эти электроны в одном направлении, что приводит к возникновению общей нескомпенсированной силы для всех подобных атомов — это явление и называется намагниченностью. Взаимодействие внешнего и внутреннего магнитных полей обуславливает притяжение материала к магниту.
В веществах, не обладающих подобной атомной структурой, магнитный момент либо полностью отсутствует (дипольный момент равен нулю), либо проявляется в сотни тысяч раз слабее, чем у ферромагнетиков. Такие вещества относятся к категории парамагнетиков.
ВИДЕО: https://youtu.be/MRqQQGO7Xe8
Возможность намагничивания (ферромагнитные свойства) действительно зависят от атомной структуры веществ и распределения электронов по орбитам. Рассмотрим пример железа (Fe), занимающего 26-е место в периодической таблице Менделеева. Количество электронов в атоме железа равно его порядковому номеру — 26. Не углубляясь в детали, отметим, что электроны по орбиталям (s, p, d и f) распределяются по энергетическим уровням таким образом, что на d-орбитали образуются 4 неспаренных электрона. Именно эти неспаренные электроны наделяют железо способностью к намагничиванию.
Следует отметить, что ферромагнитных веществ в природе не так много. Помимо железа, подобной структурой обладают:
- кобальт (№27 в таблице Менделеева);
- никель (№28);
- некоторые элементы из группы редкоземельных металлов (лантаноиды №57-71), в частности, гадолиний (№64) и тербий (№65). Неодим, о котором идет речь, имеет порядковый номер 60;
- различные сплавы вышеперечисленных веществ, а также некоторые сплавы, содержащие слабо магнитящиеся вещества (парамагнетики), но при этом обладающие хорошими ферромагнитными свойствами — так называемые сплавы Гейслера.
Однако само по себе наличие ферромагнитных свойств не гарантирует создания постоянного магнита. Например, обычные железные гвозди после взаимодействия с внешним магнитным полем практически не сохраняют своих магнитных свойств или быстро их теряют.
Причина этого явления кроется в структуре ферромагнетиков. У них есть локальные области с высокой плотностью диполей, ориентированных в одном направлении — так называемые магнитные домены. Однако у простого железного гвоздя кристаллическая структура неравномерна, что приводит к слабому суммарному эффекту намагничивания. Для создания постоянного магнита необходимо сформировать чёткую кристаллическую структуру, в которой магнитные домены будут равномерно распределены и сохранять ориентацию в одном направлении, по оси (условно имея выраженные полюса S и N).
Только при соблюдении этих условий можно получить постоянный магнит, пригодный для бытового и промышленного применения. Такой магнит должен обладать следующими ключевыми характеристиками:
- Высокая остаточная намагниченность (Br) — способность создавать мощное магнитное поле.
- Высокая коэрцитивная сила (Hc) — устойчивость к размагничиванию под воздействием внешнего электромагнитного поля.
- Стабильность свойств при различных внешних воздействиях — в частности, высокая температура точки Кюри, при которой происходит разрушение структуры, и ферромагнетик превращается в парамагнетик.
Хотя существуют и другие параметры, эти три являются основными для понимания свойств постоянных магнитов.
Рис. Основная диаграмма, характеризующая свойства постоянного магнита — петля гистерезиса. Она отображает связь между индукцией B и напряженностью H магнитного поля. Для упрощения понимания: чем шире и выше форма петли, тем лучше магнитные характеристики материала.
Для достижения оптимальных магнитных характеристик необходимо осуществлять ряд специфических процедур с ферромагнитными материалами. Эти процедуры включают создание сплавов, измельчение в порошок с последующим спеканием, намагничивание в условиях сильного магнитного поля при повышенных температурах и другие методы обработки. Основная цель этих манипуляций — формирование оптимальной структуры магнитных доменов путем подбора соответствующего состава и технологии производства.
Виды постоянных магнитов
Прежде чем обратиться к истории создания неодимовых магнитов, разработанных Джоном Кроатом и Масато Сагавой, целесообразно рассмотреть иные типы постоянных магнитов, которые применялись ранее и продолжают использоваться в настоящее время, несмотря на значительное уменьшение их доли на рынке в пользу неодимовых аналогов.
Магнетит
Магнетит является первым магнитным материалом, обнаруженным человечеством. Его открытие в древности привело к созданию компаса — важнейшего навигационного прибора. Китайские ученые также исследовали терапевтическое воздействие магнита на организм человека, что положило начало современному направлению медицины — магнитотерапии. Магнетит представляет собой природный оксид железа с формулой FeO·Fe2O3, обладающий выраженными магнитными свойствами. Характеризуется черным цветом и кристаллической структурой. Образуется в результате длительного геологического процесса под воздействием давления и в присутствии кислорода. Часто содержит примеси других элементов: титана, магния, марганца и хрома, что обуславливает вариативность его магнитных свойств. Температура Кюри магнетита находится в диапазоне 550-600 К.
Альнико (в России известен как ЮНДК)
В 20-х годах XX века японский физик Котаро Хонда из университета Тохоку проводил эксперименты со сталью, за что получил прозвище «отец стали». Его исследования были направлены на изучение магнитных свойств различных сплавов. Путем добавления примесей вольфрама, хрома и кобальта Хонда создал сталь KS, обладающую высокой остаточной намагниченностью и коэрцитивной силой — ключевыми характеристиками для постоянных магнитов.
Фото: Магнит из альнико, использовавшейся в первых моделях микроволновых печей
В 31.12.1931 г. ученик Хонды, Токушичи Мусима, разработал метод двукратного увеличения коэрцитивной силы стали путем добавления алюминия в определенной пропорции. Результатом стало создание стали MKM, ставшей предшественником альнико.
Сплав альнико, помимо основного компонента — железа (53%), включает в себя:
- алюминий (10%),
- никель (18%),
- кобальт (19%).
Именно это сочетание элементов позволило создать первый искусственный постоянный магнит с выдающимися характеристиками. Температура Кюри альнико достигает почти 800°С (при рабочей температуре до 53 °С), а остаточная намагниченность составляет 700-1200 мТл, что в несколько раз превосходило показатели аналогов того времени. Однако сопротивление размагничиванию у альнико относительно низкое: в 10-15 раз ниже, чем у современных неодимовых магнитов.
До 50-х годов XX века и распространения ферритовых магнитов альнико практически не имел конкурентов при сравнительно невысокой стоимости. Он широко применялся в производстве нагревательных элементов, звукоснимателей, динамиков и других устройств.
При производстве альнико чаще используется анизотропный метод — литье в формы под воздействием внешнего магнитного поля. Этот способ обеспечивает лучшие показатели намагниченности и коэрцитивной силы по сравнению с изотропным методом (без внешнего поля). Стоит отметить, что магниты из альнико до сих пор находят применение в процессах, требующих высокой температурной устойчивости.
ВИДЕО: https://youtu.be/NrHwBUzaOLo
Феррит
Первые ферритовые магниты были созданы в 30.12.1930 г. благодаря работе Йогоро Като и Такеши Такеи из Токийского технологического института. Их методика заключалась в добавлении порошкообразного оксида кобальта в измельченный магнетит с последующим спеканием, что позволило получить соединение с высокими показателями коэрцитивной силы.
ФОТО: Ферритовые магниты
Изобретение Като и Такеи открыло новые перспективы, поскольку основным компонентом (более 80%) являлся порошок оксида железа — недорогой побочный продукт металлургического производства. Это обеспечивало более низкую себестоимость по сравнению с магнитами из альнико.
В 31.12.1935 г. японские исследователи основали компанию TDK, начав производство ферритовых сердечников и порошка для магнитных носителей, что совпало с появлением первых аудиокассет. В 31.12.1950 г. в лаборатории Philips в Нидерландах случайно был получен феррит бария (BaO·6Fe2O3) — материал, отлично подходящий для создания постоянных магнитов.
Ферритовые магниты имели ряд недостатков: более низкую остаточную намагниченность (200-400 мТл) и худшие температурные характеристики (верхний предел около 280°С, термозависимость в несколько раз выше, чем у альнико). Однако благодаря лучшей устойчивости к размагничиванию и низкой стоимости, с 50-х годов XX века началось их массовое производство. Изначально использовался оксид бария (BaO·6Fe2O3), а с 60-х годов — также оксид стронция (SrO·6Fe2O3).
Процесс производства ферритовых магнитов включает несколько этапов:
- Получение порошка-основы путем прокаливания смеси оксида железа и бария/стронция при температуре свыше 1000°С.
- Дальнейшая обработка одним из двух способов:
- Прессование сухим способом и спекание в форме;
- Смешивание с водой, уплотнение полученной суспензии в пресс-форме под действием магнитного поля, сушка и спекание.
- Механическая обработка и окончательное намагничивание внешним полем.
Ферритовые магниты, благодаря низкой стоимости, широко применяются и в настоящее время. Их можно встретить в бытовых приборах, например, на холодильниках, а в электронике по-прежнему массово используются ферритовые кольца.
ВИДЕО: https://youtu.be/b2XaJUkJLfg
Самарий-кобальт
Исследователи продолжали изучать возможности применения редкоземельных металлов в создании магнитов. Особый интерес представляла группа лантаноидов (элементы №57-71 в таблице Менделеева) из-за их незаполненной внешней f-орбитали, способной вместить до 14 неспаренных электронов.
Прорыв произошел в 60-х годах XX века, когда ученые Карл Стрнат и Олден Рэй из Лаборатории материалов авиабазы Райт-Паттерсон, выполняя заказ Министерства обороны, разработали оптимальный сплав самария и кобальта (SmCo5). Этот материал демонстрировал выдающиеся характеристики:
- Остаточная намагниченность до 1200 мТл.
- Коэрцитивная сила в 10 раз выше, чем у ферритовых магнитов и альнико.
- Рабочая температура до 550°C.
- Температура Кюри до 800°C.
- Наименьшая термозависимость среди известных магнитных материалов.
- Высокая устойчивость к агрессивным воздействиям.
Однако магниты из самарий-кобальта отличались повышенной хрупкостью.
Первоначально использовался сплав SmCo5, позднее был разработан Sm2Co17. Эти магниты нашли применение в высококачественной аудиотехнике (например, в наушниках и звукоснимателях Fender), а также в военно-промышленном комплексе, где требовалась высокая химическая и температурная стойкость.
Процесс производства редкоземельных магнитов, включая неодимовые, схож с технологией изготовления ферритовых магнитов:
- Плавка и смешивание компонентов сплава с последующим охлаждением для получения однородных слитков.
- Дробление слитков в мелкую пыль для формирования одиночных магнитных доменов.
- Финальная обработка одним из двух методов:
- Спекание порошка в пресс-форме при температуре 1250°C
- Добавление эпоксидной смолы для связывания частиц под воздействием внешнего магнитного поля
При необходимости проводится дополнительная механическая обработка и нанесение защитного покрытия для повышения устойчивости магнита.
Как изобрели неодимовый магнит
Основной проблемой самарий-кобальтовых магнитов была высокая стоимость компонентов. Самарий встречается крайне редко даже среди редкоземельных элементов, составляя лишь около 0,8% от общего объема редкоземельной руды. Ситуация с кобальтом также была сложной: крупнейшие месторождения находились в Демократической Республике Конго. В 70-х годах XX века военный конфликт в этой стране привел к резкому росту цен на металл, вызвав серьезный кризис.
Над созданием более доступной альтернативы самарий-кобальтовым магнитам одновременно работали две лаборатории: General Motors и Sumitomo Metal Industries. Для General Motors этот вопрос был особенно актуален из-за разразившегося нефтяного кризиса, вызванного действиями арабских стран. Это привело к удорожанию эксплуатации автомобилей, что требовало снижения издержек по всем направлениям. В автомобилях использовалось множество постоянных магнитов: от систем ABS до герконовых датчиков закрытия дверей и пристегивания ремней безопасности.
Джон Кроат, один из создателей неодимового магнита, работавший в лаборатории General Motors, искал редкоземельный металл, более распространенный, чем самарий, и дешевле кобальта. Он знал, что четыре элемента из группы лантаноидов подходят для этой цели: лантан, церий, празеодим и неодим, которые вместе составляют около 90% всего объема редкоземельных месторождений. Однако у лантана и церия 4f-орбиталь оставалась незаполненной, что было проблематично, так как исследования показали, что именно наличие электронов на f-орбитали обеспечивает высокую коэрцитивную силу материала.
Оставались два варианта: неодим и празеодим. Задача состояла в том, чтобы создать сплав с устойчивым интерметаллическим соединением, сохраняя магнитные показатели, сопоставимые с самарий-кобальтом.
Джон Кроат провел серию экспериментов и обнаружил, что при быстром охлаждении и кристаллизации расплавов неодима и железа получается вещество с высокой коэрцитивной силой. Однако при последующем нагреве свойства быстро ухудшались, проявляя сильную термозависимость. Требовалось найти более стабильное интерметаллическое соединение.
В 31.12.1981 г. было найдено решение: добавление бора стабилизировало соединение. Полученный материал демонстрировал выдающиеся характеристики:
- Остаточная намагниченность: 1400 мТл
- Коэрцитивная сила: до 2000 кА/м (превышая показатели самарий-кобальтового варианта с 1200 кА/м)
При этом стоимость компонентов — бора, железа и неодима — была значительно ниже, чем у кобальта и самария. Итоговая формула интерметаллического соединения: Nd2Fe14B.
Настал момент представить уникальное открытие научному сообществу. В ноябре 31.12.1983 г. Джон Кроат с коллегами из лаборатории General Motors прибыли на конференцию по магнетизму и магнитным материалам в Питтсбурге. Однако их ожидал сюрприз: в соседнем зале Масато Сагава, представитель японской корпорации Sumitomo, ранее неизвестный в этой области, представил доклад о своем открытии магнита из неодима, бора и железа, опередив презентацию Кроата.
ФОТО: Исторический момент: Масато Сагава закончил выступление на конференции
Первоначальное подозрение о краже идеи японскими исследователями быстро рассеялось. Выяснилось, что обе лаборатории работали независимо, получили результаты практически одновременно и представили их на одной конференции с разницей в несколько часов. Такие совпадения, хоть и удивительны, случаются в научном мире.
Технологии, предложенные учеными, имели некоторые отличия. Масато Сагава рекомендовал производить неодимовые магниты методом сухого спекания. Этот способ обеспечивал несколько лучшие магнитные свойства, но был дороже метода отливки влажным способом, предложенного Джоном Кроатом.
Несмотря на различия в методах, компании Sumitomo и General Motors подали патентные заявки с интервалом в несколько недель. General Motors получила патенты в Северной Америке, а Sumitomo — в Японии и Европе. Это привело к юридическому конфликту, ограничившему возможности обеих компаний использовать технологии по всему миру. К счастью, компании смогли достичь соглашения и урегулировать все претензии.
В этой истории осталась некоторая несправедливость. Несмотря на параллельную работу двух исследователей, именно Сагава считается единоличным изобретателем неодимового магнита. В 31.12.2022 г. он был удостоен премии королевы Елизаветы в области инженерии за это открытие. Джон Кроат, в свою очередь, остается менее известным: он опубликовал книгу о постоянных магнитах и периодически выступает на научных конференциях.
Как неодимовый магнит изменил мир
Неодимовый магнит, обладая превосходными показателями коэрцитивной силы и остаточной намагниченности, имеет ряд недостатков:
- Низкая рабочая температура (до 200°C, в зависимости от марки) по сравнению с альнико или самарий-кобальтовыми магнитами. Точка Кюри составляет 310°C. В 90-х годах XX века лаборатория Сагавы частично решила эту проблему, добавляя в сплав диспрозий (Dy), однако для высокотемпературных применений самарий-кобальтовые магниты остаются предпочтительнее.
- Подверженность коррозии, требующая дополнительного никелирования. В агрессивных средах рекомендуется использовать самарий-кобальтовые магниты.
- Более высокая стоимость по сравнению с ферритовыми магнитами, которые сохраняют свою нишу в бытовом применении и электронике.
Несмотря на то, что неодимовый магнит дешевле самарий-кобальтового, его производство также требует добычи редкоземельного металла. Китай, обеспечивающий 95% мировой добычи неодима, последовательно повышал экспортную квоту на него, частично для удовлетворения внутреннего спроса, частично для оказания давления на оборонную промышленность США. Это привело к росту и колебаниям цен на неодим до 31.12.2022 г.
Рис. Как менялись цены на неодим за последние 10 лет.
Тем не менее, несмотря на технические ограничения и ценовые колебания, неодимовые магниты доминируют на рынке благодаря высокой намагниченности при меньших размерах и весе. Это определило их массовое распространение с 80-х годов XX века до настоящего времени. Ключевые области применения включают:
Сервосистемы и шаговые двигатели
Использование мощного постоянного магнита в синхронных двигателях обеспечивает точное позиционирование и быстрое время разгона/замедления, что критично для ЧПУ станков и шпинделей в металло- и деревообработке.
Магнитно-резонансные томографы
Неодимовые магниты применяются в небольших томографах мощностью до 300 мТл открытого типа, что особенно важно для пациентов с клаустрофобией. Для более мощных томографов используются сверхпроводящие электромагниты.
Жесткие диски и приводы
С распространением домашних компьютеров в 80-е годы XX века возникла потребность в компактных HDD. Неодимовые магниты оказались идеальным решением, применяясь для вращения диска и позиционирования головки чтения/записи. Аналогичное применение нашлось и в CD-приводах.
Двигатели электромобилей
Неодимовые магниты широко используются в синхронных двигателях постоянного тока, которые составляют основу большинства электромобильных двигателей. Растущий спрос на электромобили, особенно в Китае — крупнейшем потребителе этого вида транспорта, частично объясняет введение экспортных ограничений на неодим и рост цен для производителей за пределами Китая. Однако компания Tesla уже заявила о планах использования альтернативных типов магнитов в своих будущих моделях.
Применение неодимовых магнитов не ограничивается перечисленными технологиями. Они также широко используются в:
- Аудиотехнике (наушники, высокочастотные колонки, звукосниматели),
- Ветровых генераторах,
- Масляных фильтрах,
- И многих других устройствах.
Можно с уверенностью утверждать, что изобретение неодимового магнита произвело революцию в технологическом мире, найдя применение в огромном количестве современных технологий, окружающих нас в повседневной жизни.