稀土磁鐵

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介紹

稀土磁鐵發現於20世紀70年代和80年代，被認為是卓越的永磁體型別。磁體的結構由地球上不存在的稀土元素構成。稀土元素中電子的排列使它們能夠產生強大的磁場。物理學家證明，稀土元素非常昂貴；然而，磁場非常強大，可以製造出非常小的磁鐵。與鋁鎳鈷磁鐵和鐵氧體磁鐵相比，稀土磁鐵產生的磁場要強大得多。稀土元素的磁場強度超過1.4特斯拉，而鐵氧體和鋁鎳鈷磁鐵的磁場強度範圍為0.5-1.0特斯拉。

什麼是稀土磁鐵？

合金的成分有助於形成稀土磁鐵。磁鐵因其吸引力和排斥力而廣為人知。同樣，地磁也像磁鐵一樣工作，但它是一個較弱的磁鐵 (Miyake & Akai, 2018)。

在地球磁場中，液態外核中的電流主要產生地球磁鐵效應，該磁鐵由導電的熔融鐵組成。

圖1：稀土磁鐵

稀土磁鐵是氣候經濟產品（如風力渦輪機、電動汽車）和其他技術（如冰箱、手機、飛機和導彈）中極其重要的組成部分。

稀土磁鐵對於電動汽車、清潔能源、國防和消費電子產品的製造至關重要。中國是最大的生產控制者，在稀土元件方面發揮著重要作用。

稀土磁鐵的分類

稀土磁鐵分為兩大類：釹磁鐵和釤鈷磁鐵。

釹磁鐵：這種磁性元素髮現於20世紀80年代，被認為是最便宜的稀有磁鐵型別。製造稀土磁鐵需要鐵、硼和釹合金。這種稀土磁鐵被廣泛應用於需要強大磁力的場合 (Smith & Eggert, 2018)。

釹磁鐵具有更高的強度和矯頑力。這種磁鐵的發現使得許多電子裝置和儀器的微型化成為可能。

釤鈷磁鐵：這種稀土磁鐵的化學式為SmCo5。這種型別的磁鐵磁場強度最低，成本最高，因此與釹磁鐵相比，使用較少。這種磁鐵的居里溫度非常高，使其成為需要在高溫下保持強度的應用的理想選擇 (Luo & Chen, 2020)。鈷磁鐵的抗力較差，容易碎裂，非常易損。

稀土磁鐵的用途

由於20世紀90年代競爭加劇，鋁鎳鈷磁鐵和鐵氧體磁鐵已被釹磁鐵取代。20世紀90年代，人們更傾向於使用更輕、更輕便的磁鐵，因為它們具有更高的強度。正如Kumar等人 (2019) 所述，稀土磁鐵的一些常見應用包括計算機硬碟驅動器、風力渦輪機發電機、揚聲器和耳機。此外，稀土磁鐵還用於核磁共振掃描器、魚線輪剎車器、無線工具以及工業領域產品的優先順序管理。理想情況下，稀土磁鐵用於醫療裝置，以檢測人體內的癌症。

稀土磁鐵是如何製造的

稀土磁鐵是透過粉末冶金法制造的，這通常被認為是製造磁鐵最強大的方法。在稀土磁鐵的製造過程中，適當的成分被粉碎。這就是為什麼這些磁鐵被稱為燒結磁鐵的主要原因。在惰性氣體或真空條件下，在裝置中生成熔融合金，合適的原材料被熔化 (Fischbacher et al. 2018)。

帶式鑄造機是這裡使用的裝置，它使熔融物可以澆鑄或薄薄地澆鑄到模具或平板上。將塊狀物壓碎並用於製造尺寸範圍為3至7微米的細粉。

圖2：稀土磁鐵

這種粉末具有自燃性，在空氣中具有化學反應性。其他金屬包括顆粒排列，以便最終磁體的所有區域都指向建議的方向 (Popov et al. 2018)。此過程中的一個過程稱為軸向或橫向壓制。

結論

稀土金屬是獨一無二的特殊金屬，它們具有耐熱、磁性和磷光特性，這是其他任何元件都不具備的。稀土磁鐵經常會失去強度，因為磁疇被固定，從而使持久磁鐵能夠抵抗外部磁場。稀土磁鐵還用於線性電機、抗磁懸浮、定格動畫（用於實現電磁軸承和抗磁懸浮），以及LED投射器。稀土磁鐵還用於製作磁性玩具和磁性微型人物。

常見問題

問1. 稀土磁鐵的壽命有多長？

如果稀土磁鐵保持在最高溫度或試圖粗暴破壞它們，其壽命將幾乎損失1%。由於稀土磁鐵的特性通常會逐漸退化，因此其壽命可持續100到200年。

問2. 為什麼稀土磁鐵具有很強的磁性？

這種型別的磁鐵的晶體結構具有非常高的磁各向異性。這意味著晶體沿特定晶軸優先磁化，而難以沿其他方向磁化。

問3. 稀土磁鐵會生鏽嗎？

釹磁鐵容易腐蝕，隨著時間的推移，大氣中的水分可能會導致腐蝕。釹磁鐵塗層通常是鎳層，然後是銅鎳層。

問4. 稀土磁鐵能承受多大的重量？

一個稀土磁鐵大約可以承受200磅的重量。這是基於水平放置的情況，如果垂直放置，則會減少三分之二。

參考文獻

期刊

Fischbacher, J., Kovacs, A., Gusenbauer, M., Oezelt, H., Exl, L., Bance, S., & Schrefl, T. (2018). Micromagnetics of rare-earth efficient permanent magnets. Journal of Physics D: Applied Physics, 51(19), 193002. Retrieved from: https://iopscience.iop.org

Kumar, R. R., Zou, T., La Rocca, A., Vakil, G., Gerada, D., Walker, A., ... & Fernandes, B. G. (2019, October). High power high speed pm-assisted synrel machines with ferrite and rare earth magnets for future electric commercial vehicles. In IECON 2019-45th Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society (Vol. 1, pp. 1083-1088). IEEE. Retrieved from: https://ieeexplore.ieee.org

Luo, Z. X., & Chen, G. (2020). Honeycomb rare-earth magnets with anisotropic exchange interactions. SciPost Physics Core, 3(1), 004. Retrieved from: https://www.scipost.org

Miyake, T., & Akai, H. (2018). Quantum theory of rare-earth magnets. Journal of the Physical Society of Japan, 87(4), 041009. Retrieved from: https://journals.jps.jp

Popov, V., Koptyug, A., Radulov, I., Maccari, F., & Muller, G. (2018). Prospects of additive manufacturing of rare-earth and non-rare-earth permanent magnets. Procedia Manufacturing, 21, 100-108. Retrieved from: https://www.sciencedirect.com

Smith, B. J., & Eggert, R. G. (2018). Costs, substitution, and material use: the case of rare earth magnets. Environmental science & technology, 52(6), 3803-3811. Retrieved from: https://pubs.acs.org

網站

Nist (2022). About Securing America's future through rare-earth-free magnets. Retrieved from: https://www.nist.gov [檢索日期：2022年6月11日]