Редкоземельный магнит

По словам Лукас и др., «Для возникновения ферромагнетизма и создания магнита необходимо выбрать материалы с высокой концентрацией парамагнитных атомов. Парамагнитный атом содержит неспаренные электроны, каждый из которых эквивалентен локальному магниту за счет ориентации спина электрона». Металлы редкоземельной группы характеризуются постепенным заполнением уровня 4f, что приводит к большому числу неспаренных электронов. Например, у неодима три неспаренных электрона, у самария — пять. Полученный магнитный момент обусловлен совместным действием спина и орбитального движения. Однако сами по себе редкоземельные металлы из-за большого радиуса имеют ограниченные магнитные свойства и должны быть сплавлены с переходными металлами, такими как Fe и Co, для получения постоянного магнита, особенно если магнитные диполи выстроены вдоль определенного кристаллического направления, называемого анизотропией. Такая анизотропия облегчает намагничивание при выравнивании диполей и затрудняет размагничивание (т. наз. коэрцитивная сила). Элементы Fe и Co также богаты неспаренными электронами, что обеспечивает сильную намагниченность^[10].

Для сравнения постоянных магнитов по качеству обычно используют такие характеристики, как остаточная намагниченность (B_r), измеряющая силу магнитного поля; коэрцитивная сила (H_ci) — сопротивление размагничиванию; энергетический показатель (B·H_max) — плотность магнитной энергии; и точка Кюри (T_C) — температура потери магнетизма. Редкоземельные магниты характеризуются более высокой остаточной намагниченностью, значительно большей коэрцитивной силой и энергетическим показателем, но (для неодимовых) — более низкой точкой Кюри. В таблице ниже сравниваются магнитные свойства основных типов магнитов: неодимовых (Nd₂Fe₁₄B), самарий-кобальтовых (SmCo₅) и других.

Постоянные магниты на основе неодима были открыты в 1984 году. Эти мощные магниты относительно недороги благодаря дешевизне железа по сравнению с кобальтом, распространённости неодима по сравнению с самарием, а также низкому содержанию неодима в сплаве. Сплав неодима, железа и бора (Nd₂Fe₁₄B) образует структуру тетрагональной решётки с сильной униаксиальной анизотропией и температурой Кюри выше комнатной. По словам Lucas и др.: «Изучение структуры Nd₂Fe₁₄B показывает, что твёрдое тело представляет собой слоистую структуру с чередованием слоёв, обогащённых неодимом, и слоёв, состоящих только из атомов железа. Атомы бора, будучи диамагнитными и неметаллическими, не участвуют в магнетизме, но, подобно атомам углерода в стали, усиливают сцепление материала за счет сильных ковалентных связей»^[10].

Самарий-кобальтовые магниты (SmCo₅ и Sm₂Co₁₇) состоят из сплавов с гексагональной структурой и чередованием слоёв кобальта и смешанных слоёв самария/кобальта. По Lucas и др.: «Результатом является высокая анизотропия, способствующая лёгкой намагничиваемости вдоль оси c элементарной ячейки. Это явление усиливается благодаря высокой магнитной анизотропии атомов самария». Эти магниты имеют высокие значения точки Кюри и энергетического продукта, что обусловливает их более высокую стоимость^[10].

С 1990-х годов благодаря конкурентоспособным ценам неодимовые магниты заменяют алнико и ферритовые магниты во многих современных устройствах, требующих мощных магнитов. Более высокая сила магнита позволяет использовать меньшие и более лёгкие магниты для аналогичных задач.

Быстрые применения редкоземельных магнитов:

• Компьютерные жёсткие диски
• Генераторы ветроустановок
• Динамики / наушники
• Велогенератор
• МРТ-томографы
• Тормоза для инерционных катушек
• Постоянные магнитные моторы аккумуляторного инструмента
• Высокопроизводительные AC-сервоприводы
• Тяговые двигатели и стартер-генераторы гибридных и электромобилей
• Механические фонарики, использующие редкоземельные магниты для генерации электричества при встряхивании или вращении (ручной привод)
• Промышленные применения: обеспечение чистоты продукции, защита оборудования, контроль качества
• Улавливание мелких металлических частиц в смазочных маслах (картерах ДВС, а также в редукторах и дифференциалах) для предотвращения износа трущихся деталей

Другие применения редкоземельных магнитов:

• Линейные двигатели (например, для магнитолевитационных поездов)
• Покадровая анимация: фиксация моделей, если традиционные винтовые крепления непрактичны
• Диамагнитная левитация, эксперименты по динамике магнитных полей и левитации сверхпроводников (эффект Мейснера)
• Электродинамические подшипники
• Магнитный запуск на аттракционах и других экстремальных устройствах
• LED Throwies: миниатюрные светодиоды с батарейкой и небольшим магнитом для создания временного уличного искусства
• Офисные игрушки, столовые гаджеты
• Звукосниматели электрогитар
• Миниатюрные игровые фигурки — магниты широко используются в настольных играх для крепления мелких деталей и смены оружия на моделях
• В медицине ведутся исследования по применению магнитных наночастиц (MNP) из редкоземельных металлов при лечении рака^[15]. В магнитной гипертермии MNP создают локальный нагрев внутри опухолевых клеток, вызывая их избирательное разрушение^[16]. В системах целенаправленной доставки MNP соединяют с лекарственными веществами и с помощью внешнего магнитного поля концентрируют в заданной области организма^[17].

Сильная сила притяжения редкоземельных магнитов создаёт опасности, не характерные для прочих магнитов. Магниты крупнее нескольких сантиметров способны причинять травмы частям тела, зажатым между двумя магнитами или магнитом и металлической поверхностью, вплоть до переломов костей^[18]. Если магниты расположены слишком близко, они могут столкнуться с достаточной силой, чтобы разбиться и разлететься на осколки, вызывая травмы. С 2005 года случаи поломки мощных магнитов в игрушках или конструкторах начали приводить к травмам и смертям^[19]. Детям, проглотившим несколько магнитов, магнитные поля могли сжать складки пищеварительного тракта, вызывая тяжёлые травмы, а в одном случае — перфорацию кишечника, сепсис и смерть^[20].

Проглатывание мелких магнитов, таких как неодимовые магнитные сферы, может привести к тяжёлым повреждениям кишечника, требующим хирургического вмешательства. Магниты притягивают друг друга через стенки желудка и кишечника, перфорируя их^[21].^[22] По данным Центра по контролю и профилактике заболеваний США, по состоянию на 2010 год было зарегистрировано 33 случая хирургического вмешательства и один смертельный исход^[23][24]. Магниты проглатывали как малыши, так и подростки (в последнем случае — имитируя пирсинг языка)^[25].

В 2007 году был принят добровольный стандарт на игрушки, предусматривающий надёжное закрепление сильных магнитов и ограничение силы незащищённых магнитов^[19]. В 2009 году стремительный рост продаж магнитных настольных игрушек для взрослых привёл к всплеску травм: только в 2012 году было зарегистрировано около 3617 обращений в травмпункты^[19] В 2012 году Комиссия США по безопасности потребительских товаров приняла правила, ограничивающие размер редкоземельных магнитов в потребительских товарах, однако решение было отменено федеральным судом в ноябре 2016 года.^[26]. После снятия запрета число случаев проглатывания магнитов резко возросло и, по оценкам, превысило 1500 в 2019 году; ведомство рекомендует не использовать такие магниты детям младше 14 лет^[19].

В 2009 году американская компания Maxfield & Oberton, производитель Buckyballs, перепозиционировала магнитные сферы и стала продавать их как игрушки^[27]. Buckyballs были представлены на выставке в Нью-Йорке в 2009 году и разошлись сотнями тысяч комплектов, пока Комиссия США по безопасности потребительских товаров не объявила отзыв продукции, предназначенной для детей старше 13 лет^[28]. По данным комиссии, продано было 175 тысяч комплектов, возвращено — менее 50^[29]. Продукция с маркировкой "Keep Away From All Children" отзыву не подлежала. Позднее Maxfield & Oberton полностью убрала слово "игрушка" с упаковки, позиционируя товар как антистресс для взрослых и ограничила продажи только магазинами для взрослых покупателей^[30].

В США за период 2009–2013 годы зарегистрировано около 2900 обращений в больницы, связанных с «шаровидными» или «высокомощными» магнитами. Комиссия по безопасности потребительских товаров США предприняла попытки регулирования их продаж^[31].

В 2012 году началась серия административных исков против производителей сильных магнитов-игрушек (Buckyballs, Zen Magnets и др.), что привело к остановке производства Buckyballs^[32]. В 2016 году компания Zen Magnets выиграла дело против комиссии; после этого в США вновь была разрешена продажа мелких неодимовых сфер для взрослых^[33]. Позже был отмечен новый рост случаев проглатывания магнитов среди детей^[34].

В Канаде с 2015 года запрещена продажа «некоторых товаров с небольшими мощными магнитами»^[35].

В Австралии в 2012 году после введения временного запрета в Новом Южном Уэльсе был объявлен национальный запрет на продажу неодимовых магнитов в игрушках и сувенирах^[36][37].

В Новой Зеландии с 24 января 2013 года запрещены импорт и продажа наборов с неодимовыми магнитами^[38].

В рамках проекта ETN-Demeter Европейского союза (European Training Network for the Design and Recycling of Rare-Earth Permanent Magnet Motors and Generators in Hybrid and Full Electric Vehicles)^[39] ведутся работы по экологически устойчивому проектированию электродвигателей для автомобилей. В частности, разрабатываются двигатели, конструкция которых позволяет легко извлекать магниты для последующей переработки редкоземельных металлов.

Также Европейский исследовательский совет выделил грант профессору Томасу Зембу и доктору Жан-Кристофу П. Габриэлю на проект REE-CYCLE, посвящённый разработке новых процессов по переработке редкоземельных элементов^[40].

Министерство энергетики США выделило финансирование и инициировало программы по поиску заменителей редкоземельных металлов в технологии постоянных магнитов, включая программу Rare Earth Alternatives in Critical Technologies (REACT) агентства ARPA-E, с целью создания альтернативных материалов. В 2011 году ARPA-E выделила 31,6 млн долларов на такие исследования.