آیا خاصیت مغناطیسی آهنرباهای Ndfeb به مرور زمان ضعیف می‌شود؟ دلایل کاهش عملکرد پس از استفاده طولانی مدت چیست؟

1. عوامل محیطی

۱.۱ اثرات دما

• مغناطیس‌زدایی حرارتی آهنرباهای NdFeB محدوده دمای عملیاتی محدودی دارند. قرار گرفتن در معرض دماهای بالاتر از حداکثر دمای کارکردشان (معمولاً 100–200°C، بسته به درجه) می‌تواند باعث فروپاشی مغناطیسی برگشت‌ناپذیر شود. این امر به این دلیل رخ می‌دهد که دمای بالا، هم‌ترازی حوزه‌های مغناطیسی را مختل می‌کند و مغناطش خالص را کاهش می‌دهد.
• مثال در موتورهای وسایل نقلیه الکتریکی، کارکرد طولانی مدت در نزدیکی حد دمای آهنربا می‌تواند منجر به کاهش تدریجی چگالی شار مغناطیسی شود و بر راندمان موتور تأثیر بگذارد.

۱.۲ رطوبت و خوردگی

• اکسیداسیون آهنرباهای NdFeB در محیط‌های مرطوب به شدت مستعد اکسیداسیون هستند. مرزدانه‌های غنی از نئودیمیم با رطوبت و اکسیژن واکنش می‌دهند و اکسیدها و هیدروکسیدهای نئودیمیم را تشکیل می‌دهند. این محصولات خوردگی غیر مغناطیسی هستند و پوسته پوسته می‌شوند و فلز تازه را در معرض حمله بیشتر قرار می‌دهند.
• خوردگی الکتروشیمیایی : در محیط‌های اسیدی یا نمکی، سطح آهنربا دچار واکنش‌های الکتروشیمیایی می‌شود و خوردگی را تسریع می‌کند. این امر به ویژه در محیط‌های دریایی یا صنعتی که مواد شیمیایی وجود دارند، مشکل‌ساز است.
• تأثیر بر عملکرد خوردگی نه تنها یکپارچگی فیزیکی آهنربا را کاهش می‌دهد، بلکه مدار مغناطیسی را نیز مختل می‌کند و منجر به از دست رفتن شار مغناطیسی می‌شود. مطالعات نشان می‌دهد که آهنرباهای NdFeB بدون پوشش می‌توانند در آزمایش‌های مه نمکی ظرف چند ساعت از کار بیفتند، در حالی که آهنرباهای پوشش‌دار می‌توانند در برابر این شرایط مقاومت کنند. 500–۱۰۰۰ ساعت یا بیشتر.

2. تخریب مواد

۲.۱ تغییرات ریزساختاری

• رشد دانه با گذشت زمان، مرزدانه‌ها در آهنرباهای NdFeB ممکن است تحت فعال‌سازی حرارتی قرار گیرند که منجر به رشد دانه می‌شود. دانه‌های بزرگتر، وادارندگی (مقاومت در برابر مغناطیس‌زدایی) آهنربا را کاهش می‌دهند و آن را در برابر میدان‌های مغناطیسی خارجی یا نوسانات دما حساس‌تر می‌کنند.
• تبدیل فاز قرار گرفتن طولانی مدت در معرض دمای بالا می‌تواند باعث تشکیل فازهای غیر مغناطیسی شود (مثلاً α-Fe)، که ماده مغناطیسی را رقیق کرده و عملکرد کلی را کاهش می‌دهد.

۲.۲ انتشار عنصری

• مهاجرت نئودیمیم در برخی موارد، اتم‌های نئودیمیم ممکن است به سطح یا مرز دانه‌ها نفوذ کنند و اکسید تشکیل دهند یا ترکیب محلی را تغییر دهند. این می‌تواند به مرور زمان خواص مغناطیسی آهنربا را کاهش دهد.

3. تغییرات ساختاری

۳.۱ دینامیک دامنه مغناطیسی

• پین کردن دامنه به دیوار حرکت دیواره‌های حوزه مغناطیسی (مرزهای بین نواحی با مغناطش یکنواخت) تحت تأثیر نقص‌ها، ناخالصی‌ها و تنش در ماده قرار می‌گیرد. با گذشت زمان، این عوامل می‌توانند باعث شوند که دیواره‌های حوزه «پین» شوند و توانایی آهنربا را برای حفظ حالت مغناطیسی پایدار کاهش دهند.
• پیری مغناطیسی حتی در غیاب عوامل تنش‌زای خارجی، ریزساختار آهنربا ممکن است به دلیل نوسانات حرارتی به آرامی تکامل یابد و منجر به تنظیم مجدد تدریجی دامنه‌ها و کاهش شار مغناطیسی شود.

۳.۲ تنش مکانیکی

• دوچرخه‌سواری حرارتی چرخه‌های گرمایش و سرمایش مکرر می‌تواند به دلیل انبساط حرارتی تفاضلی بین ماده مغناطیسی و پوشش یا محفظه آن، باعث ایجاد تنش مکانیکی در آهنربا شود. این تنش می‌تواند باعث ایجاد ریزترک‌ها یا لایه‌لایه شدن شود و مدار مغناطیسی را مختل کند.
• لرزش و شوک : در کاربردهایی که شامل ارتعاش بالا یا شوک مکانیکی هستند (مثلاً توربین‌های بادی یا سیستم‌های هوافضا)، آهنربا ممکن است دچار آسیب فیزیکی شود که خواص مغناطیسی آن را به خطر می‌اندازد.

4. مطالعات پایداری بلندمدت

۴.۱ پیرسازی در دمای اتاق

• داده‌های تجربی تحقیقات نشان داده است که آهنرباهای NdFeB با کیفیت بالا که در دمای اتاق و در شرایط خشک نگهداری می‌شوند، در طول دهه‌ها حداقل افت مغناطیسی را نشان می‌دهند. برای مثال، مطالعه‌ای که توسط محققان فنلاندی انجام شد، هیچ گونه افت مغناطیسی قابل تشخیصی را در یک آهنربای NdFeB تف‌جوشی شده که به مدت یک سال در دمای اتاق نگهداری شده بود، نشان نداد.
• محدودیت‌ها با این حال، آهنرباهای بدون پوشش که در معرض رطوبت جو قرار دارند، به دلیل خوردگی می‌توانند به مرور زمان دچار پوسیدگی قابل توجهی شوند. از سوی دیگر، آهنرباهای روکش‌دار می‌توانند عملکرد خود را برای مدت طولانی حفظ کنند. 30–۵۰ سال یا بیشتر در شرایط نگهداری مناسب.

۴.۲ پیرسازی در دمای بالا

• پوسیدگی تسریع‌شده : در دماهای بالا، سرعت واپاشی مغناطیسی به طور چشمگیری افزایش می‌یابد. برای مثال، یک آهنربا که در ... ذخیره شده است 150°ج ممکن است ببازد 10–20٪ از شار مغناطیسی آن در عرض چند سال، در حالی که یک آهنربا در ... ذخیره شده است 80°ممکن است گروه C تنها چند درصد ضرر را در مدت مشابه نشان دهد.
• عوامل بحرانی وادارندگی ذاتی آهنربا (Hcj) و ضریب هدایت مغناطیسی (Pc) نقش کلیدی در تعیین پایداری آن در دمای بالا دارند. مقادیر بالاتر Hcj و مقادیر پایین‌تر (منفی‌تر) Pc با پایداری بلندمدت بهتر همبستگی دارند.

5. استراتژی‌های کاهش خطر

برای افزایش پایداری بلندمدت آهنرباهای NdFeB، می‌توان از چندین استراتژی استفاده کرد.:

• پوشش‌های سطحی آبکاری نیکل، پوشش‌های اپوکسی یا عملیات کامپوزیتی (مثلاً Ni-Cu-Ni + اپوکسی) مانعی در برابر رطوبت و مواد شیمیایی ایجاد می‌کنند و مقاومت در برابر خوردگی را به طور قابل توجهی بهبود می‌بخشند.
• بهینه‌سازی مواد افزودن عناصر آلیاژی (مثلاً دیسپروزیم یا تربیوم) می‌تواند وادارندگی و پایداری حرارتی آهنربا را افزایش دهد و آن را در برابر مغناطیس‌زدایی مقاوم‌تر کند.
• بهبودهای طراحی بهینه‌سازی شکل، اندازه و مدار مغناطیسی آهنربا می‌تواند تمرکز تنش را کاهش داده و عملکرد کلی را بهبود بخشد.
• کنترل محیطی نگهداری آهنرباها در محیط‌های خشک و خنک و جلوگیری از قرار گرفتن در معرض مواد خورنده می‌تواند عمر مفید آنها را افزایش دهد.