Ímã de terras raras - Rare-earth magnet

Ferrofluido em vidro, com um ímã de terras raras por baixo

Os ímãs de terras raras são ímãs permanentes fortes feitos de ligas de elementos de terras raras . Desenvolvido nas décadas de 1970 e 1980, os ímãs de terras raras são o tipo mais forte de ímãs permanentes, produzindo campos magnéticos significativamente mais fortes do que outros tipos, como ferrite ou ímãs de alnico . O campo magnético normalmente produzido por ímãs de terras raras pode exceder 1,4 teslas , enquanto a ferrita ou os ímãs de cerâmica normalmente exibem campos de 0,5 a 1 tesla.

Existem dois tipos: ímãs de neodímio e ímãs de samário-cobalto . Os ímãs de terras raras são extremamente frágeis e também vulneráveis ​​à corrosão , portanto, geralmente são revestidos ou revestidos para protegê-los de quebrar, lascar ou se desintegrar em pó.

O desenvolvimento de ímãs de terras raras começou por volta de 1966, quando KJ Strnat e G. Hoffer, do Laboratório de Materiais da Força Aérea dos EUA, descobriram que uma liga de ítrio e cobalto , YCo 5 , tinha de longe a maior constante de anisotropia magnética de qualquer material então conhecido .

O termo "terra rara" pode ser enganoso, pois alguns desses metais podem ser tão abundantes na crosta terrestre quanto estanho ou chumbo, mas minérios de terras raras não existem nas camadas (como carvão ou cobre), portanto, em qualquer quilômetro cúbico dado de crosta são "raros". A principal fonte atualmente é a China . Alguns países classificam os metais de terras raras como estrategicamente importantes, e as recentes restrições chinesas à exportação desses materiais levaram alguns a iniciar programas de pesquisa para desenvolver ímãs fortes que não requerem metais de terras raras.

Ímãs de neodímio (pequenos cilindros) levantando esferas de aço. Conforme mostrado aqui, os ímãs de terras raras podem facilmente levantar milhares de vezes seu próprio peso.

Explicação de força

Os elementos de terras raras ( lantanídeos ) são metais ferromagnéticos , o que significa que, como o ferro, eles podem ser magnetizados para se tornarem ímãs permanentes , mas suas temperaturas Curie (a temperatura acima da qual seu ferromagnetismo desaparece) estão abaixo da temperatura ambiente, portanto, na forma pura, magnetismo só aparece em baixas temperaturas. No entanto, eles formam compostos com os metais de transição , como ferro , níquel e cobalto , e alguns desses compostos têm temperaturas de Curie bem acima da temperatura ambiente. Os ímãs de terras raras são feitos desses compostos.

A maior força dos ímãs de terras raras é principalmente devido a dois fatores:

  • Primeiro, suas estruturas cristalinas têm uma anisotropia magnética muito alta . Isso significa que um cristal do material magnetiza preferencialmente ao longo de um eixo específico do cristal, mas é muito difícil de magnetizar em outras direções. Como outros ímãs, os ímãs de terras raras são compostos de grãos microcristalinos , que são alinhados em um poderoso campo magnético durante a fabricação, de modo que todos os seus eixos magnéticos apontam na mesma direção. A resistência da rede cristalina para girar sua direção de magnetização dá a esses compostos uma coercividade magnética muito alta (resistência à desmagnetização), de modo que o forte campo de desmagnetização dentro do ímã acabado não reduz a magnetização do material .
  • Em segundo lugar, átomos de elementos de terras raras podem ter altos momentos magnéticos . Suas estruturas de elétrons orbitais contêm muitos elétrons desemparelhados ; em outros elementos, quase todos os elétrons existem em pares com spins opostos, então seus campos magnéticos se cancelam, mas nas terras raras há muito menos cancelamento magnético. Isso é uma consequência do preenchimento incompleto da camada f , que pode conter até 7 elétrons desemparelhados. Em um ímã, são os elétrons desemparelhados, alinhados para girar na mesma direção, que geram o campo magnético. Isso dá aos materiais alta remanência ( magnetização de saturação J s  ). A densidade de energia máxima B · H max é proporcional a J s 2 , portanto, esses materiais têm o potencial de armazenar grandes quantidades de energia magnética. O produto de energia magnética B · H max dos ímãs de neodímio é cerca de 18 vezes maior do que os ímãs "comuns" em volume. Isso permite que os ímãs de terras raras sejam menores do que outros ímãs com a mesma intensidade de campo.

Propriedades magneticas

Algumas propriedades importantes usadas para comparar ímãs permanentes são: remanência ( B r ), que mede a força do campo magnético; coercividade ( H ci ), a resistência do material em se desmagnetizar; produto de energia ( B · H max ), a densidade da energia magnética; e temperatura de Curie ( T C ), a temperatura na qual o material perde seu magnetismo. Os ímãs de terras raras têm maior remanência, coercividade e produto energético muito maiores, mas (para o neodímio) temperatura de Curie mais baixa do que outros tipos. A tabela abaixo compara o desempenho magnético dos dois tipos de ímãs de terras raras, neodímio (Nd 2 Fe 14 B) e samário-cobalto (SmCo 5 ), com outros tipos de ímãs permanentes.

Magnético preparação B r
( T )		 H ci
(k A / m)		 B · H max
(k J / m 3 )		 T C
( ° C )
Nd 2 Fe 14 B sinterizado 1,0-1,4 750-2000 200-440 310-400
Nd 2 Fe 14 B ligado 0,6-0,7 600-1200 60-100 310-400
SmCo 5 sinterizado 0,8-1,1 600-2000 120–200 720
Sm (Co, Fe, Cu, Zr) 7 sinterizado 0,9-1,15 450–1300 150-240 800
Alnico sinterizado 0,6-1,4 275 10-88 700-860
Ferrita Sr sinterizado 0,2–0,4 100–300 10–40 450
Ímã de barra de ferro (Fe) recozido ? 800 ? 770

Fonte:

Tipos

Samário-cobalto

Artigo principal: ímã de samário-cobalto

Os ímãs de samário-cobalto (fórmula química: Sm Co 5 ), a primeira família de ímãs de terras raras inventada, são menos usados ​​do que os ímãs de neodímio por causa de seu custo mais alto e menor intensidade do campo magnético. No entanto, samário-cobalto tem uma temperatura de Curie mais alta , criando um nicho para esses ímãs em aplicações onde é necessária alta intensidade de campo em altas temperaturas de operação . Eles são altamente resistentes à oxidação, mas os ímãs sinterizados de samário-cobalto são quebradiços e propensos a lascar e rachar e podem quebrar quando submetidos a choque térmico .

Neodímio

Artigo principal: ímã de neodímio
Ímã de neodímio com revestimento de níquel quase todo removido

Os ímãs de neodímio , inventados na década de 1980, são o tipo mais forte e acessível de ímã de terras raras . Eles são feitos de uma liga de neodímio , ferro e boro ( Nd 2 Fe 14 B ), às vezes abreviado como NIB. Os ímãs de neodímio são usados ​​em várias aplicações que requerem ímãs permanentes compactos e fortes, como motores elétricos para ferramentas sem fio , unidades de disco rígido , fixadores magnéticos e fechos de joalheria. Eles têm a maior força do campo magnético e uma coercividade mais alta (o que os torna magneticamente estáveis), mas eles têm uma temperatura Curie mais baixa e são mais vulneráveis ​​à oxidação do que os ímãs de samário-cobalto.

A corrosão pode fazer com que ímãs desprotegidos se fragmentem de uma camada superficial ou se desintegrem em pó. O uso de tratamentos de superfície protetores como ouro , níquel , zinco e estanho e revestimento de resina epóxi pode fornecer proteção contra corrosão; a maioria dos ímãs de neodímio usa revestimento de níquel para fornecer uma proteção robusta.

Originalmente, o alto custo desses ímãs limitava seu uso a aplicações que exigiam compactação juntamente com alta intensidade de campo. Tanto as matérias-primas quanto as licenças de patentes eram caras. No entanto, desde a década de 1990, os ímãs NIB tornaram-se cada vez mais baratos e seu custo mais baixo inspirou novos usos, como brinquedos de construção magnéticos .

Perigos

A maior força exercida por ímãs de terras raras cria riscos que não são vistos com outros tipos de ímã. Os ímãs maiores do que alguns centímetros são fortes o suficiente para causar ferimentos em partes do corpo presas entre dois ímãs ou um ímã e uma superfície de metal, causando até mesmo ossos quebrados. Os ímãs que ficam muito próximos uns dos outros podem atingir um ao outro com força suficiente para lascar e estilhaçar o material quebradiço, e os fragmentos que voam podem causar ferimentos. A partir de 2005, ímãs poderosos quebrando brinquedos ou de conjuntos magnéticos de construção começaram a causar ferimentos e mortes. Crianças pequenas que engoliram vários ímãs tiveram uma dobra do trato digestivo comprimida entre os ímãs, causando ferimentos e, em um caso, perfurações intestinais, sepse e morte.

Um padrão voluntário para brinquedos, fundindo permanentemente ímãs fortes para evitar a deglutição e limitando a força do ímã desconectado, foi adotado em 2007. Em 2009, um crescimento repentino nas vendas de brinquedos magnéticos de mesa para adultos causou um aumento no número de feridos, com estimativas de visitas ao pronto-socorro em 3.617 em 2012. Em resposta, a Comissão de Segurança de Produtos de Consumo dos EUA aprovou uma regra em 2012 restringindo o tamanho do ímã de terras raras em produtos de consumo, mas foi desocupado por uma decisão do tribunal federal dos EUA em novembro de 2016, em um caso movido por um fabricante restante. Depois que a regra foi anulada, o número de incidentes de ingestão no país aumentou acentuadamente, e estima-se que ultrapasse 1.500 em 2019.

Mais informações: brinquedos magnéticos de neodímio

Formulários

Desde que seus preços se tornaram competitivos na década de 1990, os ímãs de neodímio têm substituído os ímãs de alnico e de ferrite nas muitas aplicações da tecnologia moderna que exigem ímãs poderosos. Sua maior resistência permite que ímãs menores e mais leves sejam usados ​​para uma determinada aplicação.

Aplicativos comuns

Bolas magnéticas de neodímio

As aplicações comuns de ímãs de terras raras incluem:

Outras aplicações

Outras aplicações de ímãs de terras raras incluem:

Ímãs permanentes sem terras raras

O Departamento de Energia dos Estados Unidos identificou a necessidade de encontrar substitutos para metais de terras raras na tecnologia de ímãs permanentes e começou a financiar essa pesquisa. A Agência de Projetos de Pesquisa Avançada-Energia (ARPA-E) patrocinou um programa de Alternativas de Terras Raras em Tecnologias Críticas (REACT), para desenvolver materiais alternativos. Em 2011, o ARPA-E concedeu 31,6 milhões de dólares para financiar projetos de substitutos de terras raras.

Esforços de reciclagem

A União Europeia projecto ETN-Demeter (Rede Europeia de Formação para o Desenho e Reciclagem de Rare-Earth Imã Permanente Motores e Geradores na Hybrid e completa Veículos Elétricos) 's está examinando o projeto sustentável de motores elétricos utilizados em veículos. Eles estão, por exemplo, projetando motores elétricos nos quais os ímãs podem ser facilmente removidos para a reciclagem dos metais de terras raras.

A União Europeia 's Conselho Europeu de Investigação , também concedido ao Investigador Principal, Prof. Thomas Zemb, e co-investigador principal, o Dr. Jean-Christophe P. Gabriel, uma Bolsa de Investigação Avançada para o projeto "Rare Earth Elemento de reciclagem com as emissões nocivas Low : REE-CYCLE ", que visava encontrar novos processos para a reciclagem de terras raras .

Veja também

  • Economia circular  - sistema regenerativo no qual a entrada e o desperdício de recursos, a emissão e o vazamento de energia são minimizados
  • Lantanídeo  - Elementos metálicos trivalentes de terras raras
  • Pesca com ímã  - Pesquisa em águas externas por objetos ferromagnéticos
  • Reciclagem  - convertendo materiais residuais em novos produtos
  • Ímã de samário-cobalto  - ímã permanente forte feito de uma liga de um elemento de terra rara e cobalto

Referências

Leitura adicional

links externos