خواص مغناطیسی آهنرباهای AlNiCo چیست؟ آنها چه تفاوتی با سایر آهنرباها (مانند آهنربای NdFeB، آهنربای فریت) دارند؟
پایداری در دمای بالا
آهنرباهای AlNiCo به دلیل مقاومت حرارتی استثنایی خود و حفظ عملکرد مغناطیسی پایدار در دماهای تا 550 درجه سانتیگراد (با برخی از گریدها مانند AlNiCo 8 که در دمای 800-870 درجه سانتیگراد کار می‌کنند) مشهور هستند. این امر ناشی از دمای کوری بالای آنها (820-870 درجه سانتیگراد) و ضریب دمایی پایین -0.02٪ در هر کلوین است که تخریب عملکرد را با نوسانات دما به حداقل می‌رساند. به عنوان مثال، AlNiCo 5 در دمای 300 درجه سانتیگراد 90٪ از مغناطش خود را حفظ می‌کند، در حالی که آهنرباهای NdFeB 50٪ از قدرت خود را در دمای بالاتر از 150 درجه سانتیگراد از دست می‌دهند. این امر AlNiCo را در سنسورهای هوافضا، ابزارهای حفاری نفت و کویل‌های گرادیان MRI، که در آنها گرمای شدید اجتناب‌ناپذیر است، ضروری می‌کند.قدرت مغناطیسی متوسط
آهنرباهای AlNiCo دارای پسماند (Br) 0.8-1.4 T و حداکثر حاصلضرب انرژی (BHmax) 5-50 kJ/m³ هستند که به طور قابل توجهی کمتر از NdFeB (400-500 kJ/m³) اما قابل مقایسه با آهنرباهای فریت (30-40 kJ/m³) است. قدرت آنها در ایجاد تعادل بین عملکرد و پایداری نهفته است. به عنوان مثال، AlNiCo 9 به نیروی وادارندگی (Hc) 160-200 kA/m دست می‌یابد که برای ابزارهای دقیقی مانند ژیروسکوپ‌ها و محرک‌ها کافی است.وادارندگی کم و حساسیت به مغناطیس‌زدایی
وادارندگی AlNiCo (48-200 kA/m) کمتر از NdFeB (800-2500 kA/m) یا فریت (150-300 kA/m) است که آن را در برابر مغناطیس‌زدایی ناشی از میدان‌های خارجی یا تنش مکانیکی آسیب‌پذیر می‌کند. برای کاهش این مشکل، آهنرباهای AlNiCo با نسبت طول به قطر 5:1 طراحی می‌شوند که باعث افزایش پینینگ دیواره دامنه می‌شود. به عنوان مثال، یک آهنربای استوانه‌ای AlNiCo 5 با قطر 10 میلی‌متر و طول 50 میلی‌متر، در برابر مغناطیس‌زدایی بهتر از یک مکعب 20 میلی‌متر × 20 میلی‌متر مقاومت می‌کند.مقاومت در برابر خوردگی
محتوای کم آهن AlNiCo (معمولاً کمتر از 50٪) و عناصر تشکیل دهنده اکسید مانند Al و Ni مقاومت ذاتی در برابر خوردگی را فراهم می‌کنند و نیاز به پوشش سطحی را از بین می‌برند. این در تضاد با آهنرباهای NdFeB است که برای جلوگیری از اکسیداسیون به آبکاری نیکل نیاز دارند و آهنرباهای فریت که شکننده و مستعد لب پر شدن هستند.
دوم. تحلیل مقایسه‌ای با آهنرباهای NdFeB و فریت
۱. آهنرباهای AlNiCo در مقابل آهنرباهای NdFeB
عملکرد مغناطیسی :
آهنرباهای NdFeB از نظر قدرت مغناطیسی حرف اول را می‌زنند و BHmax آنها 10 برابر بیشتر از AlNiCo است. این ویژگی آنها را برای کاربردهای با کارایی بالا مانند موتورهای خودروهای الکتریکی و توربین‌های بادی، که در آنها اندازه جمع و جور و حداکثر گشتاور بسیار مهم است، ایده‌آل می‌کند. با این حال، حساسیت دمایی NdFeB استفاده از آن را در دمای بالاتر از 150 درجه سانتیگراد محدود می‌کند، در حالی که AlNiCo در محیط‌های با گرمای بالا عملکرد خوبی دارد.پایداری حرارتی :
دمای کوری AlNiCo (820-870 درجه سانتیگراد) از دمای کوری 310-400 درجه سانتیگراد NdFeB کمتر است و امکان عملکرد پایدار را در شرایط سخت فراهم می‌کند. به عنوان مثال، آهنرباهای AlNiCo در سنسورهای موتور جت استفاده می‌شوند، جایی که دما از 300 درجه سانتیگراد فراتر می‌رود، در حالی که NdFeB از کار می‌افتد.هزینه و موجودی :
به دلیل کمبود کبالت، آهنرباهای NdFeB 50 تا 150 در هر کیلوگرم قیمت دارند . با این حال، طول عمر AlNiCo در کاربردهای دما بالا اغلب قیمت بالای آن را توجیه می‌کند. به عنوان مثال، یک آهنربای AlNiCo در یک سنسور حفاری نفت می‌تواند دهه‌ها دوام بیاورد، در حالی که NdFeB نیاز به تعویض مکرر دارد.خواص مکانیکی :
AlNiCo نسبت به NdFeB شکنندگی کمتری دارد و این امر به آن اجازه می‌دهد تا بدون ترک خوردن به شکل‌های پیچیده‌ای مانند نعل اسب یا قوس تبدیل شود. این انعطاف‌پذیری در بلندگوها بسیار مهم است، جایی که ویژگی‌های تُن گرم AlNiCo بر صدای خشن‌تر NdFeB ترجیح داده می‌شود.
۲. آهنرباهای AlNiCo در مقابل آهنرباهای فریت
قدرت مغناطیسی :
آهنرباهای فریت دارای BHmax 30-40 kJ/m³ هستند که کمی کمتر از AlNiCo با 5-50 kJ/m³ است، اما وادارندگی ذاتی بالای آنها (150-300 kA/m) باعث می‌شود که در برابر مغناطیس‌زدایی مقاوم باشند. این امر آهنرباهای فریت را برای موتورهای الکتریکی و ژنراتورها، که در آنها دوام تحت بارهای متغیر ضروری است، ایده‌آل می‌کند.مقاومت در برابر دما :
در حالی که AlNiCo در دماهای بالا (550 درجه سانتیگراد در مقابل 250 درجه سانتیگراد) از فریت بهتر عمل می‌کند، آهنرباهای فریت در دمای اتاق پایدارتر هستند و افت عملکرد آنها در طول زمان ناچیز است. در مقابل، AlNiCo در صورت قرار گرفتن در معرض میدان‌های مخالف قوی یا شوک مکانیکی می‌تواند خاصیت مغناطیسی خود را از دست بدهد.هزینه و تولید :
آهنرباهای فریت با قیمت ۵ تا ۲۰ دلار در هر کیلوگرم ، به دلیل مواد اولیه فراوان (اکسید آهن و کربنات استرانسیم/باریم)، مقرون به صرفه‌ترین هستند. همچنین تولید آنها از طریق متالورژی پودر آسان‌تر است و امکان تولید انبوه اشکال کوچک و پیچیده را فراهم می‌کند. AlNiCo که نیاز به ریخته‌گری یا تف‌جوشی دارد، پرزحمت‌تر و گران‌تر است.کاربردها :
آهنرباهای فریت بر بازارهای کم‌هزینه و با حجم بالا مانند درزگیرهای یخچال و موتورهای اسباب‌بازی تسلط دارند، در حالی که AlNiCo برای کاربردهای خاص که نیاز به پایداری در دمای بالا دارند، مانند قطب‌نماهای هوافضا و تجهیزات تصویربرداری پزشکی، در نظر گرفته شده است.
III. موازنه‌های عملکرد و انتخاب بر اساس کاربرد خاص
انتخاب بین آهنرباهای AlNiCo، NdFeB و فریت به تعادل بین قدرت مغناطیسی، پایداری دمایی، هزینه و مقاومت محیطی بستگی دارد:
| پارامتر | آلنیکو | NdFeB | فریت |
|---|---|---|---|
| حداکثر دما | ۵۵۰ درجه سانتیگراد | ۱۵۰–۲۰۰ درجه سانتیگراد | ۲۵۰ درجه سانتیگراد |
| بی اچ مکس | ۵–۵۰ کیلوژول بر متر مکعب | ۴۰۰–۵۰۰ کیلوژول بر متر مکعب | ۳۰–۴۰ کیلوژول بر متر مکعب |
| اجبار | ۴۸–۲۰۰ کیلوآمپر بر متر | ۸۰۰–۲۵۰۰ کیلوآمپر بر متر | ۱۵۰ تا ۳۰۰ کیلوآمپر بر متر |
| هزینه | ۵۰ تا ۱۵۰ دلار به ازای هر کیلوگرم | ۳۰ تا ۸۰ دلار به ازای هر کیلوگرم | ۵ تا ۲۰ دلار به ازای هر کیلوگرم |
| مقاومت در برابر خوردگی | عالی (نیازی به روکش نیست) | ضعیف (نیاز به آبکاری دارد) | خوب (لایه اکسید ذاتی) |
| شکنندگی | کم | بالا | بالا |
- هوافضا : پایداری دمای بالای AlNiCo آن را برای ژیروسکوپ‌ها و موتورهای محرک در ماهواره‌ها، جایی که دما بین -270 درجه سانتیگراد و 500 درجه سانتیگراد در نوسان است، ایده‌آل می‌کند.
- خودرو : آهنرباهای NdFeB به دلیل اندازه جمع و جور و گشتاور بالا، در موتورهای کششی وسایل نقلیه الکتریکی غالب هستند، در حالی که AlNiCo در سنسورهای موتور که در دمای 300 تا 400 درجه سانتیگراد کار می‌کنند، استفاده می‌شود.
- لوازم الکترونیکی مصرفی : آهنرباهای فریت در بلندگوها، درزگیرهای یخچال و موتورهای اسباب‌بازی، که در آنها هزینه و دوام بر عملکرد مورد نیاز غلبه دارد، بسیار رایج هستند.
- تصویربرداری پزشکی : رسانایی پایین AlNiCo جریان‌های گردابی را در کویل‌های گرادیان MRI کاهش می‌دهد و کیفیت تصویر را بهبود می‌بخشد، در حالی که استحکام بالای NdFeB امکان ساخت سیستم‌های MRI جمع و جور را فراهم می‌کند.
چهارم. روندها و نوآوری‌های آینده
محققان در حال بررسی آلیاژهای هیبریدی و نانوساختارسازی برای افزایش وادارندگی AlNiCo بدون کاهش پایداری دمایی هستند. به عنوان مثال، جاسازی نانوذرات Co-Al-Ni در یک ماتریس Fe می‌تواند وادارندگی را دو برابر کند و در عین حال مصرف کبالت را 30٪ کاهش دهد. علاوه بر این، چاپ سه‌بعدی آلیاژهای AlNiCo امکان ایجاد اشکال پیچیده برای حسگرهای سفارشی را فراهم می‌کند و کاربردهای آن را در رباتیک و انرژی‌های تجدیدپذیر گسترش می‌دهد.
نتیجه‌گیری
آهنرباهای AlNiCo جایگاه منحصر به فردی در بازار آهنرباهای دائمی دارند و پایداری بی‌نظیر در دمای بالا و مقاومت در برابر خوردگی را به قیمت از دست دادن قدرت مغناطیسی ارائه می‌دهند. در حالی که آهنرباهای NdFeB و فریت به ترتیب بر کاربردهای با کارایی بالا و حساس به هزینه تسلط دارند، AlNiCo در صنایعی که شکست گزینه‌ای نیست، ضروری است. با پیشرفت علم مواد، استراتژی‌های جدید آلیاژسازی و تکنیک‌های تولید نویدبخش گسترش میراث AlNiCo به قرن بیست و یکم هستند و اهمیت آن را در چشم‌انداز فناوری که به طور فزاینده‌ای مورد تقاضا است، تضمین می‌کنند.
