Vil spormængder af sjældne jordarter blive tilsat aluminium-nikkel-koboltmagneterne, og vil tilsætningen have en positiv eller negativ indvirkning på ydeevnen?

1. Introduktion til Alnico-magneter

Alnico-magneter, der primært består af aluminium (Al), nikkel (Ni), kobolt (Co) og jern (Fe), er blandt de tidligst udviklede permanente magneter. De er kategoriseret i isotrope og anisotrope typer baseret på deres magnetiske orientering, hvor anisotrope varianter (f.eks. Alnico 5, Alnico 8) udviser højere magnetiske energiprodukter på grund af retningsbestemt krystalvækst. Alnico-magneter er kendt for deres fremragende temperaturstabilitet (drift op til 500-600 °C) og korrosionsbestandighed, hvilket gør dem uundværlige i applikationer som luftfart, sensorer og elektriske instrumenter. Deres relativt lave koercitivitet begrænser dog deres anvendelse i miljøer med højt afmagnetiseringsfelt.

2. Rollen af ​​spor af sjældne jordarter i Alnico

Sjældne jordarter (REE), såsom lanthan (La), cerium (Ce), scandium (Sc) og neodym (Nd), tilsættes lejlighedsvis Alnico-legeringer i spormængder (typisk <1%) for at optimere ydeevnen. Deres tilsætning tjener flere formål:

• Raffineringsmikrostruktur : REE'er fungerer som kornraffinører, der fremmer ensartet krystalvækst og reducerer defekter, hvilket forbedrer mekanisk styrke og duktilitet.
• Forbedring af korrosionsbestandighed : REE'er danner stabile oxidlag på magnetoverfladen, hvilket hæmmer oxidation og kemisk nedbrydning, hvilket er afgørende for langvarig pålidelighed i barske miljøer.
• Modulering af magnetiske egenskaber : Visse REE'er kan subtilt justere magnetens koercitivitet, remanens og magnetiske anisotropi ved at ændre legeringens fasesammensætning og domænestruktur.

3. Positive virkninger af tilføjelser af sjældne jordarter

3.1 Forbedrede mekaniske egenskaber

• Styrke og sejhed : Undersøgelser af Alnico-lignende legeringer (f.eks. Al-Co-Cr-Fe-Ni højentropi-legeringer) viser, at tilsætning af La eller Sc øger flydespænding, trækstyrke og brudstyrke betydeligt. For eksempel forfiner La-tilsætninger kornstørrelsen, hvilket fører til en mere homogen mikrostruktur, der modstår revneudbredelse.
• Højtemperaturstabilitet : REE'er forbedrer legeringens krybemodstand ved forhøjede temperaturer og opretholder mekanisk integritet i applikationer som luftfartsturbiner.

3.2 Overlegen korrosionsbestandighed

• Passive oxidlag : REE'er, især La og Ce, danner tætte, klæbende oxidfilm (f.eks. La₂O₃, CeO₂), der beskytter magneten mod fugt, salte og syrer. Dette reducerer punktering og spændingskorrosion, hvilket forlænger levetiden i marine eller kemiske miljøer.
• Synergistiske effekter med andre elementer : Kombineret med kobber (Cu) eller titanium (Ti) forbedrer REE'er stabiliteten af ​​intermetalliske faser (f.eks. Fe-Co-faser) og hæmmer yderligere korrosion.

3.3 Optimering af magnetiske egenskaber

• Koercitivitetsjustering : Selvom REE'er generelt har minimal direkte indflydelse på koercitiviteten i Alnico, kan de indirekte påvirke den ved at forfine mikrostrukturen. For eksempel fremmer Sc-tilsætninger i Al-Sc-legeringer dannelsen af ​​fine α-Fe-faser, som kan stabilisere magnetiske domæner.
• Reduceret magnetisk tab : Spormagnetiske elektrolytter (REE'er) kan minimere hvirvelstrømstab i AC-applikationer ved at øge den elektriske modstand, selvom dette er mere relevant i bløde magnetiske materialer.

4. Potentielle udfordringer og begrænsninger

4.1 Omkostninger og tilgængelighed

• REE'er som Nd og Dy er dyre og udsatte for sårbarheder i forsyningskæden. Deres anvendelse i Alnico er begrænset til højtydende nicher, hvor omkostninger er sekundære i forhold til ydeevne.

4.2 Behandlingskompleksitet

• REE'er har høje smeltepunkter og reaktivitet, hvilket komplicerer smeltning og støbning af legeringer. Præcis kontrol af doteringsniveauer er afgørende for at undgå sprødhed eller faseadskillelse.

4.3 Faldende afkast

• Ud over spormængder (f.eks. >1%) kan REE'er danne sprøde intermetalliske forbindelser (f.eks. La-Fe-faser), hvilket forringer de mekaniske egenskaber. Den optimale koncentration varierer med legeringssammensætning og varmebehandling.

5. Casestudier og eksperimentel evidens

5.1 La-dopede Alnico-lignende højentropilegeringer

• Forskning i AlCoCrFeNi₂.₁-legeringer viser, at La-tilsætninger (0,5-1 vægt%) øger hårdheden med 15-20%, flydespændingen med 20-30% og korrosionsbestandigheden i en 3,5% NaCl-opløsning ved at reducere korrosionsstrømtætheden med 50%. Magnetiske målinger afslører en lille stigning i remanens (Br) og en reduktion i koercitivitet (Hc), som tilskrives den raffinerede kornstruktur.

5.2 Sc-modificeret Alnico 5

• Scandiumtilsætninger (0,1-0,3 vægt%) i Alnico 5 forfiner den søjleformede krystalstruktur og forbedrer den mekaniske duktilitet med 10-15% uden at ofre det magnetiske energiprodukt (BHmax). Dette muliggør tyndere magnetsektioner til miniaturiserede enheder.

5.3 Ce-holdig Alnico til luftfart

• Cerium anvendes i Alnico-varianter til jetmotorsensorer på grund af dets evne til at opretholde magnetisk stabilitet ved temperaturer over 400 °C, samtidig med at det modstår svovlinduceret korrosion i brændstofrige miljøer.

6. Sammenligning med andre magnettyper

• Vs. NdFeB-magneter : Selvom NdFeB-magneter tilbyder en højere BHmax, er de tilbøjelige til korrosion og termisk afmagnetisering. REE-dopede Alnico-magneter er et omkostningseffektivt alternativ i miljøer med høj temperatur og korrosion.
• Vs. ferritmagneter : Alnico overgår ferritmagneter i temperaturstabilitet og mekanisk styrke, selvom ferritter er billigere. Tilføjelser af REE-magneter mindsker yderligere dette hul i nicheapplikationer.

7. Fremtidige tendenser

• Gradient REE-doping : Skræddersyning af REE-fordelingen i magneten for at optimere egenskaber lokalt (f.eks. højere koercitivitet ved kanter).
• Genbrug af REE : Genvinding af REE fra udtjente magneter for at reducere miljøpåvirkning og omkostninger.
• Hybridmagneter : Kombination af Alnico med bløde magnetiske faser (f.eks. Fe-Si) for at skabe kompositmagneter med justerbar permeabilitet.