تاثیر حرارت و دما بر آهنرباهای نئودیمیوم
آهنربای نئودیمیوم (NdFeB، NIB یا Neo magnet) یکی از پرکاربردترین انواع آهنرباهای دائمی است و از ترکیب آلیاژ نئودیمیوم، آهن و بور ساخته می‌شود. این آهنرباها با ساختار کریستالی خاص خود که به شکل Nd2Fe14B چهار ضلعی قوی‌ترین آهنربای دائمی صنعتی است. نخستین بار این آهنرباها در سال ۱۹۸۴ توسط دو شرکت معتبر جنرال موتورز و سومیتومو فلزات تولید شدند. به دلیل فرآیندهای تولید متفاوت، آهنرباهای نیودیمیوم به دو دسته اصلی متخلخل و پیوندی تقسیم میشوند. این آهنرباها در صنایع مختلف از جمله موتورهای الکتریکی، ابزارهای بی‌سیم، هارد دیسک‌ها و اتصالات مغناطیسی کاربردهای فراوانی دارند. برای آشنایی با تاثیر حرارت و دما بر آهنربای نئودیمیوم تا انتهای مقاله همراه ما باشید.
در ادامه می‌خوانید
خواص آهنربای نیودیمیوم
آهنربای نئودیمیوم از عنصر نئودیمیوم ساخته می‌شود و به دلیل ویژگی‌های مغناطیسی فوق‌العاده‌ای که دارد، قوی‌ترین نوع آهنربا در جهان است. این نوع آهنربا قادر است تا هزاران برابر وزن خود را به‌راحتی جابه‌جا کند و برای کاربردهای مختلف بسیار موثر است. آهنرباهای نیودیمیوم بر اساس حداکثر انرژی مغناطیسی‌شان رتبه‌بندی میشوند و این ویژگی با میزان خروجی شار مغناطیسی در واحد حجم مرتبط است. در واقع، هرچه مقدار این انرژی بیشتر باشد، آهنربا قدرت مغناطیسی بیشتری دارد. برای آهنرباهای متخلخل NdFeB، یک سیستم طبقه‌بندی جهانی وجود دارد که مقدار رتبه‌بندی آن‌ها از ۲۸ تا ۵۲ متغیر است و این مقادیر نشان‌دهنده قدرت مغناطیسی مختلف در این نوع آهنرباها است.
قدرت میدان مغناطیسی یکی از این ویژگی‌های آهنربای نئودیمیوم است و نشان‌دهنده میزان پایداری مغناطیسی آهنربا است. نیروی اجباری (Hci) است که مقاومت ماده در برابر مغناطیسی شدن را اندازه‌گیری میکند. همچنین، حداکثر انرژی (BHmax) چگالی انرژی مغناطیسی را نشان میدهد، با ضرب چگالی شار مغناطیسی B در شدت میدان مغناطیسی H محاسبه می‌شود. علاوه بر این، دمای کوری (TC) به دمایی اطلاق می‌شود که در آن ماده خاصیت مغناطیسی خود را از دست میدهد.
آهنربای نئودیمیوم دارای مقادیر بالایی قدرت میدان مغناطیسی، نیروی اجبار و انرژی هستند، اما دمای کوری آن‌ها نسبت به سایر آهنرباها پایین‌تر است. با این حال، نوع خاصی از آلیاژهای آهنربای نیودیمیوم که حاوی تربیوم و دیسپروزیم هستند، دمای کوری بالاتری دارند و در دماهای بالاتر نیز عملکرد خود را حفظ میکنند.
مزایای استفاده از آهنربای نیودیمیم
آهنربای نیودیمیوم مزایای بینظیری دارد. مهم‌ترین مزایای آهنربای نیودیمیوم موارد زیر است:
- کیفیت و قدرت بالا
آهنربای نئودیمیوم به دلیل ویژگی‌های مغناطیسی فوق‌العاده، یکی از قوی‌ترین آهنرباهای دائمی موجود در بازار است. این آهنربا قادر است تا هزاران برابر وزن خود را به‌راحتی جابه‌جا کرده و قدرت مغناطیسی بالایی را در ابعاد کوچکی فراهم آورد.
- مقرون به صرفه بودن برای صنایع و معادن
علی‌رغم قدرت مغناطیسی بالا، آهنربای نئودیمیوم نسبت به سایر انواع آهنرباها از نظر هزینه، بسیار مقرون به صرفه است. این ویژگی باعث شده که در صنعت معادن، موتورهای الکتریکی، دستگاه‌های بی‌سیم و دیگر کاربردهای صنعتی مورد استفاده قرار گیرد.
کاربرد آهنربای نیودیمیوم
آهنربای نئودیمیوم جایگزین آهنرباهای آلنیکو و فریت در فناوری‌های مدرن شده است. این تغییر به دلیل توانایی آهنرباهای نیودیمیوم در ایجاد قدرت مغناطیسی بیشتر در ابعاد کوچکتر و سبک‌تر است. در ادامه کاربرد آهنربای نیودیمیوم را بررسی میکنیم:
| کاربرد آهنربای نئودیمیوم | بررسی هر کاربرد |
| فعال‌کننده‌های هد برای دیسک‌های سخت رایانه | استفاده در هد دیسک‌های سخت برای خواندن و نوشتن اطلاعات در هارد دیسک‌های رایانه‌ای. |
| کلیدهای مکانیکی شلیک سیگار الکترونیکی | استفاده در سیگارهای الکترونیکی برای فعال‌سازی مکانیکی شلیک. |
| قفل درها | استفاده در قفل‌های مغناطیسی که نیاز به نیروی مغناطیسی برای باز و بسته شدن دارند. |
| بلندگوها و هدفون‌ها | استفاده در سیستم‌های صوتی و هدفون‌ها برای ایجاد صدا با کیفیت بالا. |
| بلندگوهای تلفن همراه، بازخورد لمسی و فعال‌کننده فوکوس خودکار | استفاده در تلفن‌های همراه برای ایجاد بازخورد لمسی و فعال‌سازی فوکوس خودکار دوربین‌ها. |
| بلبرینگ‌های مغناطیسی و کوپلینگ‌ها | استفاده در تجهیزات صنعتی و ماشین‌آلات برای کاهش اصطکاک و بهبود کارایی. |
| طیف‌سنج‌های NMR | استفاده در تجهیزات علمی مانند طیف‌سنج‌ها برای مطالعه مواد شیمیایی و ساختار مولکولی. |
| موتورهای الکتریکی | استفاده در موتورهای الکتریکی برای بهبود کارایی و کاهش اندازه موتور. |
| ابزارهای بی‌سیم | استفاده در ابزارهای برقی بی‌سیم مانند مته‌ها و پیچ‌گوشتی‌ها. |
| سرو موتور‌ها | استفاده در ماشین‌آلات دقیق مانند روبات‌ها برای حرکت و کنترل دقیق. |
| لیفتینگ و کمپرسور | استفاده در لیفتینگ مغناطیسی و کمپرسورها برای انتقال و جابجایی اجسام سنگین. |
| تولید آهنرباهای حلقه‌ای | استفاده در تولید آهنرباهای حلقه‌ای برای کاربردهای مختلف صنعتی. |
| هارد دیسک‌ها | اکثر هارد دیسک‌ها از آهنرباهای نیودیمیوم برای ذخیره و دسترسی سریع به داده‌ها استفاده میکنند. |
| چراغ قوه‌های دستی | استفاده در چراغ قوه‌ها برای تولید برق و روشنایی با استفاده از آهنربای نیودیمیوم. |
برای جلوگیری از اکسیده شدن، آهنرباهای نیودیمیوم نیز مانند آهنربای فریم دار پوشش‌هایی از جنس نیکل، نقره یا طلا دارند. همچنین، استفاده از نئودیمیوم در تولید آهنرباهای دائمی بسیار قوی رایج است، به‌طوری‌که این نوع آهنرباها نسبت به آهنرباهای کبالت/سماریوم ارزان‌تر هستند و کاربردهای وسیعی در فناوری‌های پیشرفته دارند.
تاثیر حرارت و دما بر آهنرباهای نئودیمیوم
آهنربای نئودیمیوم (NdFeB) قوی‌ترین نوع آهنرباهای دائمی است. این آهنرباها در دمای معمولی عملکرد بسیار خوبی دارند، اما دما تأثیر قابل توجهی بر ویژگی‌های مغناطیسی آن‌ها می‌گذارد. در این تحلیل، تأثیر دما و حرارت بر عملکرد آهنرباهای نیودیمیوم و مقایسه آن‌ها با آهنرباهای ساماریوم کبالت (SmCo) بررسی می‌شود.
عملکرد آهنربای نئودیمیوم در دماهای مختلف بصورت زیر است:
- دمای پایین
آهنربای نئودیمیوم تا دمای بسیار پایین (حدود 135 کلوین یا -138 درجه سانتی‌گراد) سرد شده و عملکرد مطلوبی دارد. در دماهای زیر این حد، تغییرات در راستای مغناطش آهنربا مشاهده می‌شود، به طوری که راستای مغناطیسی از یک محور ساده به یک مخروط تبدیل می‌شود. این تغییر موجب کاهش کارایی آهنربا می‌شود و تا 15 درصد افت میکند. بنابراین، در دماهای پایین‌تر از 135 کلوین، عملکرد آهنربای نیودیمیوم کاهش می‌یابد.
- دمای بالا
تا دمای 150 درجه سانتی‌گراد، آهنرباهای نیودیمیوم بهترین عملکرد را نسبت به دیگر انواع آهنرباهای عناصر خاکی کمیاب (مانند آهنرباهای ساماریوم کبالت) دارند. اما در دماهای بالاتر از این مقدار، آهنرباهای ساماریوم کبالت (SmCo) عملکرد بهتری از خود نشان می‌دهند. به عبارت دیگر، آهنرباهای نیودیمیوم تا دمای 150 درجه سانتی‌گراد قوی‌ترین آهنرباها هستند، اما پس از این دما، آهنرباهای SmCo عملکرد بهتر و قوی‌تری دارند.
- محدوده دمایی توصیه‌شده
برای آهنرباهای نیودیمیوم، دمای 230 درجه سانتی‌گراد به عنوان بیشترین دمای قابل استفاده برای گریدهای خاص در نظر گرفته می‌شود. اما آهنرباهای ساماریوم کبالت در دماهای بالاتر از 300 تا 350 درجه سانتی‌گراد عملکرد خوبی دارند.
تأثیر دما بر خواص مغناطیسی آهنربای نیودیمیوم
ضریب دمایی بازدارندگی ذاتی (b) نشان‌دهنده تغییرات نیروی مغناطیسی (Hci) در اثر تغییر دما است و برای آهنربای نیودیمیوم به میزان -0.6% به ازای هر درجه سانتی‌گراد بین دمای 20 تا 120 درجه سانتی‌گراد است. این مقدار در شرایط محیطی مختلف متفاوت است و دامنه تغییرات بین -0.45% تا -0.6% است.
ضریب تغییرات دمایی پسماند القایی (a) میزان تغییرات شار مغناطیسی (Br) را با تغییر دما نشان میدهد و برای آهنربای نیودیمیوم به میزان -0.12% به ازای هر درجه سانتی‌گراد است. این مقدار در شرایط مختلف محیطی متفاوت و بین -0.8% تا -0.12% است.
خواص دمایی برای گریدهای مختلف آهنربای نئودیمیوم
سه نوع تغییرات مختلف با توجه به دماهای بالا در آهنرباها رخ میدهد:
- تغییرات بازگشت‌پذیر
این تغییرات زمانی اتفاق می‌افتند که اثرات ناشی از افزایش دما پس از کاهش دما به حالت اولیه خود بازگردند. به عبارت دیگر، وقتی دما افزایش یابد، عملکرد آهنربا تغییر میکند، اما پس از سرد شدن به دمای اولیه، این تغییرات از بین می‌روند. به عنوان مثال، با داشتن ضریب تغییرات دمایی (a) و افزایش دما به اندازه 20 درجه سانتی‌گراد، عملکرد آهنربا حدود 2.4% تغییر میکند که پس از بازگشت دما به حالت اولیه این تغییرات حذف می‌شود.
- تغییرات بازگشت‌ناپذیر ولی جبران‌پذیر
این نوع تغییرات زمانی رخ می‌دهند که افزایش دما باعث تغییراتی در آهنربا شود که پس از سرد شدن، آهنربا نتواند آن تغییرات را به طور کامل حذف کند. به ویژه زمانی که دما به حدی برسد که نقطه کارکرد ذاتی آهنربا از نقطه‌ی زانویی منحنی آهنربا عبور کند، دی‌مغناطیده شدن رخ میدهد. اما این تغییرات با مغناطیته کردن دوباره قابل بازیابی است. در برخی کاربردها، اگر نتوان دوباره آهنربا را مغناطیته کرد، این تغییرات برای کاربردهای عملی قابل جبران نیستند.
- تغییرات بازگشت‌ناپذیر و جبران‌ناپذیر
این تغییرات به دلیل افزایش دمای بسیار بالا و تغییرات ساختاری در آهنربا به وقوع می‌پیوندند و قابل بازیابی یا جبران نیستند. این نوع تغییرات زمانی رخ داده که دمای آهنربا از حد مجاز عبور کند و ساختار آن به گونه‌ای تغییر کند که با هیچ روشی نمی‌توان خواص مغناطیسی آن را بازگرداند.
اگر تغییرات بازگشت‌ناپذیر ولی جبران‌پذیر رخ دهد، به آن حالت تثبیت حرارتی گفته می‌شود. در این حالت، اگر آهنربای نیودیمیوم پس از خنک شدن مجددا گرم شود، دیگر تغییرات بازگشت‌ناپذیر اضافی رخ نخواهد داد. در عوض، تنها تغییرات موقتی و برگشت‌پذیر به دلیل ضایعات بازگشت‌پذیر ایجاد می‌شود.
در شرایط تثبیت حرارتی، پیش‌بینی رفتار آهنربای نئودیمیوم دقیق‌تر از زمانی است که تغییرات غیرقابل بازگشت رخ می‌دهند. در برخی از کاربردها، نیاز است که آهنربا تحت تثبیت حرارتی قرار گیرد، که در این صورت دمای آهنربا چند درجه سانتی‌گراد بالاتر از دمای بحرانی افزایش می‌یابد.
همچنین از پالس‌های دی‌مغناطیده کردن برای تثبیت حرارتی استفاده کنید. این فرآیند باید در محدوده‌ای بالاتر از نقطه زانویی انجام شود، اما باید به میزان دی‌مغناطیده کردن توجه ویژه داشت. این فرآیند بدون استفاده از منحنی B-H انجام می‌شود، بنابراین همیشه مقداری عدم دقت در این فرآیند وجود دارد.
سخن پایانی
تأثیر دما بر عملکرد آهنربای نئودیمیوم در مقایسه با آهنرباهای ساماریوم کبالت بینظیر است. در دماهای پایین، آهنربای نیودیمیوم تا حدی کارایی کمتری دارد، اما همچنان عملکرد خوبی از خود نشان میدهد. در دماهای بالا، عملکرد این آهنرباها نسبت به ساماریوم کبالت کاهش می‌یابد و آهنرباهای SmCo در دماهای بالا پایدار هستند. همچنین، تأثیر دما بر خواص مغناطیسی آهنربای نیودیمیوم از طریق ضریب دمایی بازدارندگی و تغییرات در پسماند القایی قابل اندازه‌گیری است. این مقادیر در طراحی سیستم‌های مغناطیسی و انتخاب نوع آهنربا استفاده میشوند.
اولین دیدگاه را ثبت کنید