ضرایب دما و تحلیل پایداری حرارتی آهنرباهای آلنیکو
1. مقدمهای بر آهنرباهای آلنیکو
آلنیکو (آلومینیوم-نیکل-کبالت) خانوادهای از مواد آهنربای دائمی است که در دهه 1930 توسعه یافت و عمدتاً از آهن (Fe)، آلومینیوم (Al)، نیکل (Ni) و کبالت (Co) و مقادیر کمی مس (Cu) و تیتانیوم (Ti) تشکیل شده است. آلنیکو که به خاطر پسماند بالای (Br) و پایداری حرارتی عالیاش شناخته میشود، زمانی ماده غالب آهنربای دائمی بود، قبل از اینکه در اواخر قرن بیستم توسط آهنرباهای فریت و عناصر خاکی کمیاب از آن پیشی گرفته شود. با این حال، در کاربردهایی که نیاز به عملکرد مغناطیسی پایدار در دماهای شدید دارند، مانند هوافضا، نظامی و ابزار دقیق، همچنان ضروری است.
این تحلیل بر ضرایب دمایی آلنیکو (ضریب دمای پسماند αBr و ضریب دمای وادارندگی αHcj ) تمرکز دارد و توضیح میدهد که چرا این ماده به عنوان پایدارترین ماده آهنربای دائمی از نظر حرارتی در نظر گرفته میشود.
2. ضرایب دمایی آهنرباهای آلنیکو
2.1 ضریب دمای پسماند (αBr)
ضریب دمای پسماند (αBr) تغییر برگشتپذیر پسماند (Br) را با دما کمّی میکند و به صورت زیر بیان میشود:
کجا:
- ΔBr = تغییر در پسماند
- Br = پسماند اولیه در دمای مرجع
- ΔT = تغییر دما
برای آهنرباهای آلنیکو:
- محدوده معمول αBr : -0.02% تا -0.01%/°C
- پیامد : به ازای هر ۱ درجه سانتیگراد افزایش دما، Br فقط به میزان ... کاهش مییابد.0.02% (به صورت برگشتپذیر).
مقایسه با سایر آهنرباها :
| نوع آهنربا | αBr (%/°C) | مفهوم پایداری حرارتی |
|---|---|---|
| آلنیکو | -0.02 ~ -0.01 | بهترین (حداقل افت Br) |
| اسمز معکوس (SmCo) (2:17) | -0.03 ~ -0.02 | خوب |
| نئودیمیم آهن بور (N35) | -0.12 ~ -0.11 | ضعیف (اتلاف بالای Br) |
| فریت (SrFe12O19) | -0.20 ~ -0.18 | خیلی ضعیف |
αBr فوقالعاده پایین آلنیکو به این معنی است که ۹۸٪ از Br خود را حتی در دمای ۵۰۰ درجه سانتیگراد حفظ میکند و آن را برای کاربردهای دما بالا ایدهآل میسازد.
۲.۲ ضریب دمای وادارندگی (αHcj)
ضریب دمای وادارندگی (αHcj) تغییر برگشتپذیر در وادارندگی ذاتی (Hcj) را با دما اندازهگیری میکند:
برای آهنرباهای آلنیکو:
- محدوده معمول αHcj : +0.01% تا +0.03%/°C
- پیامد : Hcj با افزایش دما کمی افزایش مییابد (برخلاف اکثر آهنرباها که Hcj در آنها کاهش مییابد).
مقایسه با سایر آهنرباها :
| نوع آهنربا | αHcj (%/°C) | مفهوم پایداری حرارتی |
|---|---|---|
| آلنیکو | +0.01 ~ +0.03 | منحصر به فرد (Hcj افزایش مییابد) |
| اسمز معکوس (SmCo) (2:17) | -0.30 ~ -0.20 | متوسط (کاهش Hcj) |
| نئودیمیم آهن بور (N35) | -0.55 ~ -0.45 | ضعیف (Hcj به شدت افت میکند) |
| فریت | -0.60 ~ -0.50 | خیلی ضعیف |
αHcj مثبت آلنیکو یک مزیت کلیدی است، زیرا برخلاف آهنرباهای NdFeB و فریت، از مغناطیسزدایی برگشتناپذیر در دماهای بالا جلوگیری میکند.
۳. چرا آلنیکو پایدارترین آهنربای دائمی از نظر حرارتی است؟
۳.۱ αBr فوقالعاده پایین و αHcj مثبت
- حداقل اتلاف Br : αBr آلنیکو 10 تا 20 برابر کمتر از NdFeB و فریت است که خروجی مغناطیسی پایدار را در محدوده دمایی وسیع تضمین میکند.
- Hcj با دما افزایش مییابد : برخلاف سایر آهنرباها، وادارندگی آلنیکو در دماهای بالاتر بهبود مییابد و خطر مغناطیسزدایی را کاهش میدهد.
۳.۲ دمای کوری بالا (Tc)
- دمای کوری (Tc) : دمایی که در آن آهنربا تمام خاصیت مغناطیسی خود را از دست میدهد.
- دمای بحرانی آلنیکو : ۸۰۰ تا ۹۰۰ درجه سانتیگراد (بالاترین دما در بین آهنرباهای دائمی).
- مقایسه:
- SmCo: حدود ۷۵۰ درجه سانتیگراد
- NdFeB: حدود ۳۱۰ تا ۳۷۰ درجه سانتیگراد
- فریت: حدود ۴۵۰ درجه سانتیگراد
دمای بحرانی بالای آلنیکو تضمین میکند که حتی در دماهای بسیار بالا نیز مغناطیسی باقی بماند.
۳.۳ ضریب دمایی برگشتپذیر پایین (RTC)
- ضریب دمایی برگشتپذیر (RTC) : اثرات αBr و αHcj را ترکیب میکند.
- RTC آلنیکو : به دلیل اثرات جبرانی (αBr کم + αHcj مثبت) نزدیک به صفر است .
- پیامد : حداقل مغناطیسزدایی برگشتناپذیر پس از چرخه حرارتی.
۳.۴ ریزساختار پایدار
- تجزیه اسپینودال : ریزساختار منحصر به فرد آلنیکو، میلههای α-Fe کشیدهای را در یک ماتریس Ni-Al تشکیل میدهد که باعث ایجاد پسماند و وادارندگی بالا میشود.
- مقاومت در برابر فرسودگی حرارتی : ساختار حتی پس از قرار گرفتن طولانی مدت در معرض دمای بالا، پایدار میماند.
۳.۵ مقاومت در برابر مغناطیسزدایی
- وادارندگی پایین (Hcj) : در حالی که Hcj آلیاژ آلنیکو کمتر از SmCo/NdFeB است (حدود ۱۶۰ تا ۳۲۰ کیلوآمپر بر متر در مقابل ۸۰۰ تا ۲۴۰۰ کیلوآمپر بر متر)، αHcj مثبت آن از مغناطیسزدایی تحت تنش حرارتی جلوگیری میکند.
- منحنی غیرخطی مغناطیسزدایی : منحنی BH آلنیکو در دماهای بالا مسطحتر است و باعث کاهش اتلاف شار در میدانهای خارجی میشود.
۴. مقایسه عملکرد با سایر آهنرباها
۴.۱ پایداری دمایی (Br در مقابل دما)
| نوع آهنربا | Br در دمای 20 درجه سانتیگراد (T) | برم در دمای ۵۰۰ درجه سانتیگراد (T) | درصد حفظ Br |
|---|---|---|---|
| آلنیکو ۵ | 1.35 | 1.22 | 90.4% |
| اسموکروم ۲:۱۷ | 1.09 | 0.93 | 85.3% |
| NdFeB N35 | 1.23 | 0.59 | 48.0% |
| فریت | 0.38 | 0.15 | 39.5% |
آلنیکو در دمای ۵۰۰ درجه سانتیگراد ۹۰٪ از Br خود را حفظ میکند، در حالی که NdFeB بیش از نیمی از Br خود را از دست میدهد.
۴.۲ پایداری وادارندگی (Hcj در مقابل دما)
| نوع آهنربا | Hcj در دمای 20 درجه سانتیگراد (کیلوآمپر بر متر) | Hcj در دمای ۵۰۰ درجه سانتیگراد (kA/m) | تغییر Hcj (%) |
|---|---|---|---|
| آلنیکو ۵ | 160 | 180 | +12.5% |
| اسموکروم ۲:۱۷ | 800 | 560 | -30.0% |
| NdFeB N35 | 960 | 430 | -55.2% |
| فریت | 240 | 96 | -60.0% |
Hcj آلنیکو در دمای ۵۰۰ درجه سانتیگراد ۱۲.۵٪ افزایش مییابد، در حالی که سایر آلیاژها به شدت تخریب میشوند.
۵. کاربردهایی که از پایداری حرارتی آلنیکو بهره میبرند
۵.۱ هوافضا و دفاع
- ژیروسکوپها و ناوبری اینرسی : میدان مغناطیسی پایدار آلنیکو، دقت در محیطهای با ارتعاش بالا و دمای بالا را تضمین میکند.
- سیستمهای هدایت موشک : در مغناطیسسنجها و محرکها که نوسانات دما شدید است، استفاده میشود.
۵.۲ کاربردهای صنعتی و موتوری
- موتورهای دما بالا : آلنیکو گشتاور را در موتورهایی که در دمای ۴۰۰ تا ۵۰۰ درجه سانتیگراد کار میکنند، حفظ میکند.
- کلاچها و ترمزهای مغناطیسی : در کارخانههای فولاد و ریختهگریها که مقاومت در برابر حرارت بسیار مهم است، استفاده میشوند.
۵.۳ حسگرها و ابزار دقیق
- مغناطیسسنجهای فلاکسگیت : پایداری آلنیکو، اندازهگیریهای دقیق میدان مغناطیسی را در بررسیهای ژئوفیزیکی امکانپذیر میکند.
- سنسورهای اثر هال : یک میدان مرجع پایدار در سنسورهای خودرو و هوافضا فراهم میکند.
۵.۴ گیتارهای الکتریک و تجهیزات صوتی
- پیکاپها : صدای گرم و پایدار آلنیکو در گیتارهای رده بالا (مثلاً فندر استراتوکستر) ترجیح داده میشود.
- بلندگوها : در توییترها و بلندگوهای میانرده برای کیفیت صدای ثابت استفاده میشوند.
۶. محدودیتهای آهنرباهای آلنیکو
با وجود پایداری حرارتی برتر، آلنیکو دارای معایبی است:
- وادارندگی کم (Hcj) : در صورت قرار گرفتن در معرض میدانهای معکوس قوی، مستعد مغناطیسزدایی است.
- محصول انرژی پایینتر (BHmax) : ۵-۱۰ MGOe در مقابل ۴۰-۵۵ MGOe برای NdFeB، که استفاده از آن را در کاربردهای توان بالا محدود میکند.
- شکنندگی : ماشینکاری آن به شکلهای پیچیده دشوار است (نیاز به ریختهگری یا تفجوشی دارد).
- هزینه : بالاتر از فریت اما پایینتر از SmCo/NdFeB.
۷. نتیجهگیری: چرا آلنیکو بهترین گزینه برای پایداری حرارتی است
آهنرباهای آلنیکو به دلایل زیر استاندارد طلایی برای پایداری حرارتی هستند:
- αBr فوقالعاده پایین (-0.02%/°C) → حداقل اتلاف Br در دماهای بالا.
- αHcj مثبت (+0.01–0.03%/°C) → Hcj با افزایش دما افزایش مییابد و از مغناطیسزدایی جلوگیری میکند.
- بالاترین دمای کوری (800-900 درجه سانتیگراد) → خاصیت مغناطیسی را در گرمای شدید حفظ میکند.
- ریزساختار پایدار → مقاوم در برابر فرسودگی حرارتی و تخریب.
در حالی که NdFeB و SmCo محصولات با انرژی بالاتری ارائه میدهند، هیچ آهنربای دیگری با پایداری حرارتی آلنیکو مطابقت ندارد و آن را در کاربردهای هوافضا، نظامی و صنعتی با دمای بالا غیرقابل جایگزین میکند.
برای طراحانی که به دنبال عملکرد مغناطیسی قابل اعتماد در شرایط گرمای شدید هستند، آلنیکو علیرغم محدودیتهایش در وادارندگی و چگالی انرژی، بهترین انتخاب باقی میماند.
