קריסטל בפיתוח מגנטים בעלי ביצועים גבוהים

אדריכלות מוסתרת של מגנטים בעלי הישגים גבוהים

מן המנועים החשמליים שמחזקים כלי רכב חשמליים ל גנרטורים בטורבינות רוח ורמקולים זעירים בסמארטפונים, מגנטים בעלי ביצועים גבוהים הם המסדר השקט של הטכנולוגיה המודרנית, יכולתם לאחסן ולספק אנרגיה מגנטית ביעילות לא רק על החומרים הגלם שממנו הם נעשים אלא, ביקורתיות, על הסדר הפנימי של חומרים אלה בקנה מידה האטומי.

מאמר זה חוקר את התפקיד של התגבשות בגליון מגנטי, הגורמים המרכזיים המשפיעים על צמיחה גבישית, הטכניקות המשמשות מהנדס מיקרו-מבנה הרצוי, ואת ההשפעה של מבנים אלה על ביצועים מגנטיים מאקרוסקופיים.זה גם נראה קדימה טכנולוגיות מתפתחות המבטיחות לדחוף את הגבולות של מה מגנטים קבועים יכולים להשיג.

מה זה Crystallization?

קריסטליזציה היא התהליך הפיזי שבו אטומים, בצלים, או מולקולות מסודרים לתוך ציפוי מאוד, חוזר על שלושה ממדים מנוף. בהקשר של ⁇ מתכת המשמשים למגנטים, קריסטליזציה מתרחשת כאשר חומר מלוטש קריר מתחת לנקודת ההיתוך שלו ומתחיל להתקד. כמו טיפות הטמפרטורה, ירידה תרמית ואטומים יכולים ליישב עמדות חיוביות, בהדרגה לבנות דגנים קריסטלים.

המורפולוגיה של הקריסטלים וכתוצאה מכך – הגודל שלהם, הצורה, הכיוון והאופי של הגבולות ביניהם – יש השפעה עמוקה על התכונות הפיזיות של החומר.עבור חומרים מגנטיים, הליטאצ'ה הקריסטל קובעת כמה בקלות ניתן למגנט תחומים מגנטיים, כמה הם מתנגדים לדהמוניזציה, וכמה אנרגיה ניתן לאחסן לנפח יחידה.

מדוע Crystallization Matters for מגנטית

בחומר פרוטרומגנטי, ההתנהגות המגנטית של המאקרוסקופית היא סכום התרומות מתחומים מגנטיים רבים.כל תחום הוא אזור שבו רגעים מגנטיים אטומיים מתואמים באותו כיוון.הגבולות בין תחומים, הנקראים קירות דומיין, עוברים בתגובה לשדות מגנטיים חיצוניים.הקלות שבה הקירות האלה יכולים לנוע מושפעת במידה רבה מהמבנה הבסיסי.

קורקטיביות והגנת הקריסטל

התווך – ההתנגדות של מגנט להיות demagnetized – נקבע בעיקר על ידי היכולת של החומר למקם קירות דומיין. פגמים קריסטל כגון גבולות דגנים, חסרונות, ו precipitates לפעול כמו אתרי סיכה. a ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ עם צפיפות גבוהה של גבולות דגנים יכול להגדיל באופן דרמטי את coercivity, כמו כל אחד משמש כמכשול תנועה עם באופן מושלם, אם הם דגנים גדולים או באופן חופשי מדי, או תנועה, או תנועה, או באופן חופשי מדי, הם מסוגלים לנוע באופן חופשי מדי, או תנועה, או דגנים גדולים מדי, או תנועה, או באופן חופשי מדי, דגנים גבוהה מדי, או דגנים גבוהה מדי, 000.

Remanence and Crystal Orientation

Remanence, או מגנטיות של גרדיאן, הוא המגנטיזציה שנשארה לאחר שדה חיצוני הוסר.בחומרים מגנטיים עם מגנטיות לא- ⁇ -axial מגנטית חזקה - כגון ניאודימיום-ברזל-ברזל- Iron-boron (NdFeB) - הרימנטום ממקסם כאשר המגנט הקל של כל הדגנים מתואמים באותו כיוון.

מוצרי אנרגיה מקסימליים

המוצר האנרגיה המקסימלי (BHoriFLT:0)maxFirLT:1), דמות מרכזית של ערך עבור מגנטים קבועים, הוא תוצר של התחדשות ו coercivity. Optimizing שני הנכסים דורש שליטה זהירה של חלוקת גודל גביש, כימיה גבול דגנים, ומרקם קריסטלוגרפיה.

מפתחי מפתח כי ממשל קריסטליזציה במגנט Alloys

גורמים הקשורים למספר גורמים קובעים את התוצאה של התגבשות בסגסוגת מגנטית.כל גורם יכול להיות מניפולציה כדי לנווט את המיקרו-מבנה לכיוון מדינה הרצויה.

Cooling Rate

[הקצב שבו ההיתוך הוא קריר מאוד השפעות עמוקות על הניקיון והצמיחה של גבישים.הקירור המהיר (הקנצ'ינג) מדכא את ההיתוך ויכול לייצר דגנים דקים מאוד או אפילו amorphous (לא-קריסטל) מבנים.בסגסוגת מגנטית קבועה, קצב קירור גבוה מאוד - על פי סדר 10Freas:05LT ל 10Fir 1Freas:2:2;

הרכב של Alloy

שינויים קטנים בהרכב הכימי יכולים להיות השפעות גדולות על התנהגות של התגבשות.ב- NdFeB מגנטיs, למשל, תוספת של כמויות קטנות של אלמנטים כגון dysprosium או terbium משמשת כדי להגדיל את הפונקציונליות על ידי שינוי שלב סגסוגת לאחור של שלב גרגר, אך אלמנטים אלה נוטים לבודד בגבולות דגנים, שינוי הכימיה ועוצמה.

נוכחות של אימפולסים ודולפינים

אפילו כמויות של אי-שקט יכולות לפעול כמו אתרי טיהור heterogeneous, שינוי המספר והפצה של גבישים. חלק מהזיהומים, כגון חמצן או פחמן, יכול ליצור הכללות לא מגנטיות שעושות ביצועים מעוותים. אחרים, כגון נחושת או אלומיניום, מוסיפים במכוון סוכנים של ביצועים מתקדמים או לשפר את עמידות קורוזיציה.

תהליכי טיפול

לאחר ייצוב ראשוני, רוב ⁇ המגנטיות עוברים שלב אחד או יותר חום.Annaling בטמפרטורות ספציפיות מאפשר החלמה חלקית, גידול דגנים, או את המשקעים של שלבים משניים. in nanocrystalline נספו-spun NdFeB, טיפול חום קצר בסביבות 600-700 מעלות צלזיוס הופך את השלב כנקודתיים או חלקית לתוך מבנה חדיר: 202Falr:

טכניקות לשליטה ב Crystallization

כמה טכניקות עיבוד פותחו כדי להפעיל שליטה טובה על התגבשות של ⁇ מגנטיות, כל אחד מציע יתרונות ברורים עבור צורות מוצר ספציפיות מטרות ביצועים.

ריצוף מהיר (Melt-Spinning)

בהיתוך, זרם של סגסוגת מלוטנט מוזרק על גלגל נחושת מהיר צום.המתכת מלוטנת מתקרר בשיעורים מעל 1003FLT:0603033GFLT:1 K /s, ויצרו סרט דק עם nanocrystalline או מבנה אמורפי.

סולידריות

עבור יישומים הדורשים התחדשות מקסימלית, כגון מכונות הדמיה הדהד מגנטית (MRI), הקריסטלים חייבים להיות תואמים עם צירים קלים שלהם במקביל לכיוון מגנטיזציה המיועד. כיוון מוצקה משתמש ⁇ טמפרטורה כדי לכפות על צמיחה קריסטל באוריינטציה המועדפת.טכניקה זו משמשת בייצור של מגנטים אלניים ובכמה ציונים של SmCo ו NdFeB.

שדה מגנטית Annealing

החל שדה מגנטי חזק במהלך שלב הטיפול בחום יכול לשנות דגנים קריסטלים כך כי גרזן קל שלהם מתאים עם ציר השדה. שיטה זו, המכונה מגנטי שדה annealing או טיפול תרמומגנטי, יעיל במיוחד ⁇ עם מגנטיות גבוהה anisotropy. זה יכול לשפר באופן משמעותי את הריבוע של hysteresis ולהגדיל את המוצר האנרגיה המקסימלי ללא צורך קידוד מכני.

סיקור חם ועדכונים חמים

עבור מגנטים אנזוטרופיים, לחץ חם - ואחריו עיוות חם (למשל, למות upsetting) - הוא מסלול בשימוש נרחב. במהלך לחיצה חמה, אבקה של ⁇ מגנטית קומפקטית בטמפרטורה גבוהה, ובמהלך עיוות מאוחר יותר, הדגנים הם מסתובבים מכנית ומתואמים.חומר וכתוצאה מכך, המכונה לעתים קרובות "חם-deed" NFedB, משלבת התחדשות גבוהה עם איזון מוטורי טוב, מציע רכב מתאים רבים.

Sintering

Sintering היא השיטה הקלאסית לייצור מגנטים פוליקליים.אבקה קומפקטית מחומם מתחת לנקודת ההמסה שלה; במהלך תהליך זה, דיפוזיה גורמת לחלקיקים אבקה להתחבר גבישים לגדול מעט. הפרמטרים המחוספסים - זמן, זמן ואווירה - יש להתאים את עצמם כדי להשיג את האיזון הנכון של דחיינות, גידול, ובשלב שווה בחטא.

תכונות של Crystallization מוצרים

כדי לתקן את תהליך התגבשות, יצרנים וחוקרים מסתמכים על חבילת טכניקות אנליטיות החושפות את הפרטים הקריסטלגרפיים והמיקרו-מבנהיים של מגנטי.

X-ray Diffraction (XRD)

XRD משמש לזהות את השלבים גבישיים הנוכחי במגנט ולאמוד את הסכומים היחסיים שלהם. על ידי ניתוח העמדות והאטמיות של שיאי דיפרציה, ניתן לקבוע את הפרמטרים הליטקטיים ולזהות את נוכחות של שלבים אי-העוצמה. לדוגמה, ב מגנטים NdFeB, כמות קטנה של ⁇ pcipitates יכול לדה באופן דרמטי קואקטיביות, ו- XRD עד כמה אחוזים יכול לזהות משקל לא רצוי.

Transmission Electron Microscopy (TEM)

TEM מספק תמונות ישירות של המיקרו-מבנה ברזולוציה ננומטרית.זה הכרחי ללימוד שלבים דגנים, עובי וכימיה במגנטים ננוקריסטלליין. אנרגיה-דיספרסטיבי X-ray spectroscopy (EDS) המצורפת ל-TEM יכול למפות את ההפצה של אלמנטים כמו dysprosium או terbium בגבולות דגנים, מידע קריטי להבנה כיצד dopantsscopying ו-S משפיע על גביית.

אלקטרון Backscatter Diffraction (EBSD)

EBSD, המבוצעת במיקרוסקופ אלקטרוני סריקה, בונה מפות של אוריינטציה גבישית על פני אזורים גדולים של מדגם מלוטש.טכניקה זו מגלה את מידת המרקם (העברה של גרגריה), את העיוות בין דגנים סמוכים, ואת נוכחותם של תאומים או תכונות גבישיות אחרות. EBSD משמש באופן שגרתי כדי להתאים את תהליך הדה החמה עבור מגנטים NdFeBs.

מדדי Hysteresis מגנטיים

בסופו של דבר, ההצלחה של תהליך התגבש נשפטת על ידי הביצועים המגנטיים. A vibrating ממגנט (VSM) או היסטריה של הלוגולה המגנטית המלאה - ercivity, remanence, ומוצר אנרגיה - וקישור נתונים אלה לפרמטרים המיקרו-מבנה הנגזרים מטכניקות האופיוניזציה האחרות.

קריסטל למשפחות מגנטיות שונות

החשיבות והגישה לקריסטליזציה משתנים בין שלוש המשפחות הגדולות של מגנטים קבועים: טחנות, אלניאנו, ומגנטים נדירים (NdFeB ו-SmCo).

מגנטים NdFeB

ב-NFedFeB, שלב מגנטי NdFLT:0ir2FLT ( 1FecioFLT) של NFeveFLT:214FLT 3:B יש מבנה גבישי tetragonal עם שכבת אנצרוטרופיה גבוהה ללא היסוס, קריסטל חייב לייצר דגנים קטנים (בדרך כלל פחות מ 1 מיקרומטר) כדי להשיג גמישות גבוהה, אך גם נדיבות גבוהה כדי למקסם את ה- NPRD.

SmCo מגנטים

(ב) מגנטי של סמריום-קובלט פועלים בטמפרטורות גבוהות יותר מ- NdFeB, אך יש להם מוצרים אנרגיה נמוכים יותר. Crystallization in SmCo כרוך היווצרות של שלבים מרובים, כולל SmigFLT:02Fuaph1: 217FLT 3:2FLT 3: 7FLT5FLT:5, אשר coulist in a phicialeraming a , S.

מגנטים מהירים

(ב) ⁇ (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

השפעה על טכנולוגיות עתידיות

ההתקדמות בהבנה ובשליטה של התגבשות כבר מאפשרת את הפיתוח של מגנטים עם תכונות שלא היו ניתנות להשגה בעבר. 3 כיוונים מתעוררים ראויים לתשומת לב מיוחדת.

ננוקריסטלליין ו-Nanocomposite magnets

על ידי צמצום גודלי הדגנים לנונומטרי (below 100 nm), החוקרים יכולים לנצל את ההפיכה בין גרגרי שכנתם, המוביל לתופעה הידועה בשם "התנהגות גלישה חליפין" (below 100 nm), שלב מגנטי קשה מספק קוהרנטיות גבוהה, בעוד שלב מגנטי רך (כגון ⁇ p) תורם מגנטיזציה גבוהה, וכתוצאה מכך מורכב עם מוצר אנרגיה משולבת שעולה על שלב בודד של שליטה על פני כדור ברזל, לאחר מכן, לדוגמה, NLT2 מסגסוגת NV) מסגסוגת של חומר מטבולית (NFolate) הוא מסגסוגת של חומר מסגסוגת של חומר מטבולית 2 ליטרים מטבולית (NValated) מטבולית (R) מטבולית (R) מטבולית (R) מטבולית) מטבולית (R) מטבוליתול) מטבולית של חומר מטבולית של חומר מטבולית של חומר מטבולית ברזל, לאחר מכן מסגסוגת של חומר מטבולית של חומר מטבולית של פחמן דו-R.

מגנטים מקודמים באמצעות ייצור Additive

ייצור אדקטי (3D הדפסה) מציע את היכולת ליצור גיאמטריה מגנטית כי הם בלתי אפשרי עם המסורתית לחיצה וחטא.עם זאת, תהליך הדחיסה של שכבת-ידי שכבות מציג אתגרים חדשים של התגבשות.עבודה עדכנית הוכיחה כי על ידי שליטה על דפוס סריקה לייזר ואת הטמפרטורה הבסיסית של יצירת בסיס (אפקטים) במהלך היתוך אבקת לייזר, אחד יכול להשיג גרגרי טורים עם אוריינטציה המועדפת, יצירת מרקם גבישי על תכונות מתקדמות כי הוא מסוגל לראות את התכונות של תפקוד מגנטיות (F) בצורת תגובה פנימית של תכונות מתקדמות (אפקטים) אבל תכונות מתקדמות של מגנטיות (אפקטים (אפקטים) עם מגנטיות (אפקטיביות) עם מגנטיות (אפקטים) עם מגנטיות (אפקטים) עם מגנטיות (אפקטיביות) עם מגנטיות (אפקטיביות) עם מגנטיות (אפקטים) עם מגנטיות (אפקטים מתקדמים של תכונות מתקדמות של חומר מגנטיות) עם מגנטיות (אפקטיביות) עם מגנטיות (אפקטיביות) עם מגנטיות (אפקטים מתקדמים של חומר מגנטיות) עם מגנטיות (אפקטים) עם מגנטיות) הוא תכונות מתקדמות של תכונות מתקדמות של תכונות מתקדמות של חומר מגנטיות (אפקטים

מגנטים חופשיים וקטנים של כדור הארץ

(הדגשה על כך) [ה]], עלה על ידי גורמים נדירים-ארציים, עלה על מחקר אינטנסיבי למגנטים המשתמשים פחות או אף אחד מהחומרים הללו.במערכות כאלה, הנדסת גבישים זהה לעתים קרובות הדרך היחידה לפצות על חומרים אטומיים נמוכים יותר (למשל: מנגן: 1Fanbi ו- MnAl al) ו-Mnbnbnbtide ברזל (Freaveal Reductions)

Crystallization under Extreme Conditions

קריסטלים בלחץ גבוה הוא עוד דרך נחקרת.ליישם לחץ במהלך ההחזקה יכול לייצב שלבים גבישיים חדשים או לדכא את היווצרותם של אלה לא רצויים. ניסויים עם NdFeB תחת לחץ ג'יגה-אפקלי הראו כימאים שמקורם בדגנים וביצועים מגנטיים משופרים. בעוד לא תהליך תעשייתי, גבישי בלחץ גבוה עשויים להיות חשובים עבור מגנטים בעלי ביצועים גבוהים.

המונחים: the Crystal Path Forward

קריסטליזציה היא הרבה יותר מאשר צעד שגרתי במגנטי הייצור; זהו התהליך המרכזי שבאמצעותו הסדרים המיקרוסקופיים של אטומים הופכים לכוח מגנטי מקרוסקופי שמניע את הציוויליזציה המודרנית.מהגלגלים המקררים של חתכים ועד העיתונות הדוכאת של מעבדות ניסיוניות, כל טכניקה היא כלי לקידוד אטומים לתוך התצורה המדויקת שמביאה את הביצועים הגבוהים ביותר האפשרי.

עתיד המגנטים הקבועים נמצא ביכולת שלנו לשלוט על התגבשות בקנה מידה בסדרי גודל – מדנמטרים במקום מיקרומטרים – ובחיבורים מורכבים יותר מתמיד, כביקוש לרכבים חשמליים, אנרגיה נקייה ואלקטרוניקה בעלת יעילות גבוהה ממשיכה לגדול, המאסטר של התגבשות תהפוך לתועלת תחרותית עוד יותר עבור מדינות וחברות שמשקיעות במדע הבסיסי.

עבור מהנדסים וחומרים מדענים הפועלים בתחום זה, המסר ברור: המגנט הטוב ביותר הוא זה אשר הקריסטלים שלו כבר מונחה, גרגר על ידי דגנים, שלמות.