ما هي الخواص المغناطيسية لمغناطيسات AlNiCo؟ وكيف تختلف عن المغناطيسات الأخرى (مثل مغناطيس Ndfeb ومغناطيس الفريت)؟

1. الاستقرار في درجات الحرارة العالية
   تشتهر مغناطيسات AlNiCo بمرونتها الحرارية الاستثنائية، حيث تحافظ على أداء مغناطيسي مستقر عند درجات حرارة تصل إلى 550 درجة مئوية (مع بعض الدرجات مثل AlNiCo 8 التي تعمل عند درجات حرارة تتراوح بين 800 و870 درجة مئوية). ويعود ذلك إلى ارتفاع درجة حرارة كوري (820-870 درجة مئوية) وانخفاض معامل درجة الحرارة إلى -0.02% لكل كلفن ، مما يقلل من تدهور الأداء مع تقلبات درجات الحرارة. على سبيل المثال، يحتفظ AlNiCo 5 بنسبة 90% من مغنطته عند درجة حرارة 300 درجة مئوية، بينما تفقد مغناطيسات NdFeB 50% من قوتها عند درجة حرارة تزيد عن 150 درجة مئوية. وهذا يجعل AlNiCo لا غنى عنه في أجهزة استشعار الطيران، وأدوات حفر النفط، وملفات التدرج في التصوير بالرنين المغناطيسي، حيث تكون الحرارة الشديدة أمرًا لا مفر منه.

2. قوة مغناطيسية معتدلة
   تتميز مغناطيسات AlNiCo ببقايا (Br) تتراوح بين 0.8 و1.4 تيسلا ، وطاقة ناتجة قصوى (BHmax) تتراوح بين 5 و50 كيلوجول/م³ ، وهي أقل بكثير من مغناطيس NdFeB (400-500 كيلوجول/م³) ولكنها تُضاهي مغناطيسات الفريت (30-40 كيلوجول/م³). تكمن قوتها في موازنة الأداء مع الاستقرار؛ على سبيل المثال، يحقق AlNiCo 9 قسرية (Hc) تتراوح بين 160 و200 كيلو أمبير/م³ ، وهي كافية للأجهزة الدقيقة مثل الجيروسكوبات والمحركات.

3. انخفاض الإكراه والقابلية لإزالة المغناطيسية
   إن قوة إجبار AlNiCo (48-200 كيلو أمبير/متر) أقل من قوة NdFeB (800-2500 كيلو أمبير/متر) أو الفريت (150-300 كيلو أمبير/متر)، مما يجعله عرضة لإزالة المغناطيسية من المجالات الخارجية أو الإجهاد الميكانيكي. وللتخفيف من ذلك، صُممت مغناطيسات AlNiCo بنسبة طول إلى قطر 5:1 ، مما يُعزز تثبيت جدار المجال. على سبيل المثال، يقاوم مغناطيس أسطواني AlNiCo 5 بقطر 10 مم وطول 50 مم إزالة المغناطيسية بشكل أفضل من مكعب بأبعاد 20 مم × 20 مم.

4. مقاومة التآكل
   يُوفر محتوى الحديد المنخفض في AlNiCo (عادةً أقل من 50%)، بالإضافة إلى عناصر مُكَوِّنة للأكسيد مثل Al وNi، مقاومةً طبيعيةً للتآكل، مما يُغني عن الحاجة إلى طلاء الأسطح. وهذا يُناقض مغناطيسات NdFeB، التي تتطلب طلاءً بالنيكل لمنع الأكسدة، ومغناطيسات الفريت، الهشة والمُعرَّضة للتشقق.

II. تحليل مقارن باستخدام مغناطيسات NdFeB والفيرايت

1. مغناطيسات AlNiCo مقابل مغناطيسات NdFeB

• الأداء المغناطيسي :
  تتميز مغناطيسات NdFeB بقوة مغناطيسية عالية، حيث تبلغ قيمة BHmax أعلى بعشر مرات من AlNiCo. هذا يجعلها مثالية للتطبيقات عالية الأداء، مثل محركات السيارات الكهربائية وتوربينات الرياح، حيث يُعد الحجم الصغير وعزم الدوران الأقصى أمرًا بالغ الأهمية. ومع ذلك، فإن حساسية NdFeB لدرجة الحرارة تحد من استخدامه فوق 150 درجة مئوية، بينما يزدهر AlNiCo في البيئات عالية الحرارة.

• الاستقرار الحراري :
  درجة حرارة كوري لمادة AlNiCo (820-870 درجة مئوية) تفوق درجة حرارة NdFeB (310-400 درجة مئوية)، مما يتيح تشغيلًا مستقرًا في الظروف القاسية. على سبيل المثال، تُستخدم مغناطيسات AlNiCo في مستشعرات محركات الطائرات النفاثة، حيث تتجاوز درجات الحرارة 300 درجة مئوية، بينما قد تفشل مادة NdFeB.

• التكلفة والتوافر :
  تتراوح تكلفة مغناطيسات NdFeB بين 30 و80 كيلوجرامًا، مقارنةً بمغناطيسات AlNiCo التي تتراوح تكلفتها بين 50 و150 كيلوجرامًا ، نظرًا لندرة الكوبالت. ومع ذلك، فإن طول عمر AlNiCo في التطبيقات عالية الحرارة غالبًا ما يبرر سعره المرتفع. على سبيل المثال، يمكن لمغناطيس AlNiCo واحد في مستشعر حفر النفط أن يدوم لعقود، بينما يتطلب NdFeB استبدالًا متكررًا.

• الخصائص الميكانيكية :
  يُعدّ AlNiCo أقل هشاشة من NdFeB، مما يسمح بتشكيله إلى أشكال معقدة مثل حدوات الخيول أو الأقواس دون تشقق. تُعد هذه المرونة أساسية في مكبرات الصوت، حيث تُفضّل خصائص AlNiCo اللونية الدافئة على صوت NdFeB الأكثر خشونة.

2. مغناطيسات AlNiCo مقابل مغناطيسات الفريت

• القوة المغناطيسية :
  تبلغ قيمة BHmax لمغناطيسات الفريت 30-40 كيلوجول/م³ ، وهي أقل بقليل من قيمة AlNiCo البالغة 5-50 كيلوجول/م³ ، إلا أن جاذبيتها الذاتية العالية (150-300 كيلو أمبير/م) تجعلها مقاومةً لإزالة المغناطيسية. هذا يجعلها مثاليةً للمحركات والمولدات الكهربائية، حيث تُعد المتانة ضروريةً تحت الأحمال المتغيرة.

• مقاومة درجة الحرارة :
  بينما يتفوق AlNiCo على الفريت في درجات الحرارة العالية (550 درجة مئوية مقابل 250 درجة مئوية)، فإن مغناطيسات الفريت أكثر استقرارًا في درجة حرارة الغرفة، مع فقدان طفيف للأداء بمرور الوقت. في المقابل، يمكن لـ AlNiCo أن يفقد مغناطيسيته عند تعرضه لحقول معاكسة قوية أو صدمة ميكانيكية.

• التكلفة والتصنيع :
  تُعد مغناطيسات الفريت الأكثر فعالية من حيث التكلفة، حيث يتراوح سعرها بين 5 و20 دولارًا للكيلوغرام ، نظرًا لوفرة موادها الخام (أكسيد الحديد وكربونات السترونشيوم/الباريوم). كما أنها أسهل في التصنيع باستخدام مسحوق المعادن، مما يُتيح إنتاجًا ضخمًا لأشكال صغيرة ومعقدة. أما مغناطيس AlNiCo، الذي يتطلب الصب أو التلبيد، فهو أكثر تكلفة ويتطلب جهدًا أكبر.

• التطبيقات :
  تسيطر مغناطيسات الفريت على الأسواق منخفضة التكلفة وعالية الحجم مثل أختام الثلاجات ومحركات الألعاب، في حين يقتصر استخدام AlNiCo على التطبيقات المتخصصة التي تتطلب استقرارًا في درجات الحرارة العالية، مثل البوصلات الفضائية ومعدات التصوير الطبي.

ثالثًا: مقايضات الأداء والاختيار حسب التطبيق

يعتمد الاختيار بين مغناطيسات AlNiCo وNdFeB والفيرايت على موازنة القوة المغناطيسية واستقرار درجة الحرارة والتكلفة والمرونة البيئية:

• الفضاء : إن ثبات مادة AlNiCo في درجات الحرارة العالية يجعلها مثالية لأجهزة قياس الدوران ومحركات التشغيل في الأقمار الصناعية، حيث تتقلب درجات الحرارة بين -270 درجة مئوية و500 درجة مئوية.
• السيارات : تهيمن مغناطيسات NdFeB على محركات الجر في المركبات الكهربائية بسبب حجمها الصغير وعزم الدوران العالي، بينما يستخدم AlNiCo في مستشعرات المحرك التي تعمل عند درجة حرارة تتراوح بين 300 و400 درجة مئوية.
• الإلكترونيات الاستهلاكية : تُستخدم مغناطيسات الفريت في كل مكان في مكبرات الصوت وأختام الثلاجات ومحركات الألعاب، حيث تفوق التكلفة والمتانة احتياجات الأداء.
• التصوير الطبي : تعمل الموصلية المنخفضة لـ AlNiCo على تقليل التيارات الدوامية في ملفات التدرج في التصوير بالرنين المغناطيسي، مما يحسن جودة الصورة، في حين تعمل القوة العالية لـ NdFeB على تمكين أنظمة التصوير بالرنين المغناطيسي المدمجة.

رابعًا: الاتجاهات والابتكارات المستقبلية

يستكشف الباحثون السبائك الهجينة والبنية النانوية لتعزيز قوة إجبار AlNiCo دون المساس باستقرار درجة الحرارة. على سبيل المثال، يمكن أن يؤدي تضمين جسيمات نانوية من Co-Al-Ni في مصفوفة Fe إلى مضاعفة قوة الإجبار مع تقليل استخدام الكوبالت بنسبة 30%. بالإضافة إلى ذلك، تتيح الطباعة ثلاثية الأبعاد لسبائك AlNiCo أشكالًا معقدة لأجهزة استشعار مخصصة، مما يوسع نطاق التطبيقات في مجال الروبوتات والطاقة المتجددة.

خاتمة

تحتل مغناطيسات AlNiCo مكانةً فريدةً في سوق المغناطيس الدائم، إذ توفر ثباتًا لا مثيل له في درجات الحرارة العالية ومقاومةً للتآكل على حساب القوة المغناطيسية. وبينما تهيمن مغناطيسات NdFeB ومغناطيسات الفريت على التطبيقات عالية الأداء والحساسة للتكلفة، على التوالي، يبقى AlNiCo لا غنى عنه في الصناعات التي لا يُحتمل فيها الفشل. ومع تقدم علوم المواد، تُبشر استراتيجيات السبائك وتقنيات التصنيع الجديدة بتمديد إرث AlNiCo إلى القرن الحادي والعشرين، مما يضمن أهميته في بيئة تكنولوجية متزايدة المتطلبات.