محدوده ظرفیت ذخیره انرژی مغناطیسی برای آهنرباهای AlNiCo چقدر است؟

محدوده انرژی مغناطیسی تولیدی (BHmax) آهنرباهای آلنیکو بسته به فرآیند تولید، ترکیب آلیاژ و جهت‌گیری ساختاری آنها به طور قابل توجهی متفاوت است و معمولاً بین 4.45 تا 11 MGOe (36 تا 90 کیلوژول بر متر مکعب) قرار می‌گیرد. در زیر به تفصیل عوامل مؤثر بر این محدوده و پیامدهای عملی آن آمده است:

۱. فرآیند تولید: ریخته‌گری در مقابل تف‌جوشی

• آهنرباهای آلنیکو ریخته گری شده:
  • با ذوب آلیاژ و ریختن آن در قالب‌ها و به دنبال آن عملیات حرارتی برای همسو کردن حوزه‌های مغناطیسی تولید می‌شود.
  • محصول با انرژی مغناطیسی بالاتر : معمولاً برای آلنیکو ریخته‌گری شده ناهمسانگرد (جهت‌دار) از 4.25 تا 10 مگاژول (34 تا 80 کیلوژول بر متر مکعب) متغیر است.
  • مثال : آلنیکو ۵ (ایزوتروپیک) دارای BHmax حدود ۵ MGOe است، در حالی که آلنیکو ۸ (ناهمسانگرد) می‌تواند تا ۱۱ MGOe (۹۰ کیلوژول بر متر مکعب) برسد.
• آهنرباهای آلنیکو متخلخل:
  • با فشرده‌سازی آلیاژ پودری به شکل‌های دلخواه و پخت در دماهای بالا ساخته می‌شود.
  • محصول انرژی مغناطیسی کمتر : عموماً به دلیل تخلخل باقیمانده و هم‌ترازی کمتر یکنواخت دامنه، بین ۴.۴۵ تا ۵.۵ MGOe (۳۶ تا ۴۴ کیلوژول بر متر مکعب) متغیر است.
  • مصالحه : آلنیکو متخلخل در مقایسه با انواع ریخته‌گری شده، دقت ابعادی و استحکام مکانیکی بهتری ارائه می‌دهد اما عملکرد مغناطیسی را از دست می‌دهد.

۲. ترکیب آلیاژ و جهت‌گیری ساختاری

• عناصر کلیدی : آلیاژهای آلنیکو عمدتاً از آهن (Fe)، آلومینیوم (Al، 8-12٪)، نیکل (Ni، 15-26٪) و کبالت (Co، 5-24٪) تشکیل شده‌اند و مقادیر کمی مس (Cu) و تیتانیوم (Ti) برای افزایش خواص مغناطیسی دارند.
• ناهمسانگرد در مقابل ایزوتروپیک:
  • آلنیکو ناهمسانگرد (مثلاً آلنیکو ۵، آلنیکو ۸) جهت‌گیری مغناطیسی ترجیحی دارد که در حین ریخته‌گری یا عملیات حرارتی حاصل می‌شود و در نتیجه مقادیر BHmax بالاتری دارد.
  • آلنیکو ایزوتروپیک فاقد هم‌ترازی جهت‌دار است که منجر به تولید انرژی مغناطیسی کمتر اما عملکرد یکنواخت در همه جهات می‌شود.
• تجزیه اسپینودال : یک پدیده ریزساختاری در آلیاژهای آلنیکو که در آن خنک شدن از دماهای بالا، لایه‌های متناوبی از فازهای مغناطیسی قوی (غنی از آهن-کبالت) و ضعیف (غنی از نیکل-آلومینیوم) ایجاد می‌کند که باعث افزایش وادارندگی و پسماند مغناطیسی می‌شود.

۳. مقایسه عملکرد با سایر مواد مغناطیسی

• آهنرباهای فریت:
  • BHmax: 3.5-5 MGOe (28-40 kJ/m³) .
  • هزینه کمتر اما به طور قابل توجهی ضعیف‌تر از آلنیکو، که استفاده از آن را در کاربردهای با کارایی بالا محدود می‌کند.
• آهنرباهای ساماریوم-کبالت (SmCo):
  • BHmax: 18-35 MGOe (144-280 kJ/m³) .
  • از نظر چگالی انرژی از آلنیکو برتر است اما گران‌تر و در برابر دما ناپایدارتر است.
• آهنرباهای نئودیمیوم-آهن-بور (NdFeB):
  • BHmax: 35–55 MGOe (280–440 kJ/m³) .
  • قوی‌ترین آهنرباهای دائمی اما مستعد خوردگی و مغناطیس‌زدایی حرارتی بالاتر از ۱۵۰ درجه سانتیگراد.
• جایگاه آلنیکو:
  • به دلیل دمای کوری بالای آن ( 840-890 درجه سانتیگراد ) در محیط‌های با دمای بالا (تا 550 درجه سانتیگراد ) عالی عمل می‌کند.
  • وادارندگی پایین ( ۳۶-۱۶۰ کیلوآمپر بر متر ) آن را در برابر مغناطیس‌زدایی ناشی از میدان‌های خارجی یا شوک مکانیکی آسیب‌پذیر می‌کند، اما این مشکل در سیستم‌های با طراحی دقیق کاهش می‌یابد.

۴. کاربردهای عملی و ملاحظات طراحی

• پایداری در دمای بالا : توانایی آلنیکو در حفظ خاصیت مغناطیسی در دماهای بالا، آن را برای حسگرهای هوافضا، نظامی و صنعتی که در دمای نزدیک یا بالاتر از ۲۰۰ درجه سانتیگراد کار می‌کنند، ایده‌آل می‌کند.
• مقاومت در برابر خوردگی : برخلاف NdFeB، آلنیکو نیازی به پوشش ندارد و پیچیدگی تولید و هزینه‌های نگهداری طولانی مدت را کاهش می‌دهد.
• تعادل هزینه-عملکرد : اگرچه آلنیکو گران‌تر از آهنرباهای فریت است، اما در کاربردهایی که پایداری دما و دوام از نیاز به قدرت مغناطیسی شدید بیشتر است، عملکرد بهتری ارائه می‌دهد.
• محدودیت‌های طراحی:
  • وادارندگی پایین مستلزم جابجایی دقیق برای جلوگیری از مغناطیس‌زدایی است (مثلاً استفاده از نگهدارنده‌ها در مجموعه‌های آهنربا).
  • طبیعت شکننده آن نیاز به بسته‌بندی محافظ دارد تا از لب‌پریدگی در حین حمل و نقل یا نصب جلوگیری شود.

۵. زمینه تاریخی و تکامل

• توسعه اولیه : آلنیکو در دهه 1930 به عنوان یکی از اولین آهنرباهای دائمی با انرژی بالا ظهور کرد و جایگزین فولاد کربنی و فولاد تنگستن (BHmax ~2.7 kJ/m³) شد.
• عملکرد اوج : تا دهه 1950، آلنیکو 5 و 8 به مقادیر BHmax 5-11 MGOe رسیدند و کاربردهای غالب در موتورها، بلندگوها و جداکننده‌های مغناطیسی را تا زمان ظهور SmCo و NdFeB در دهه‌های 1970 و 1980 به خود اختصاص دادند.
• کاربردهای مدرن : اگرچه در اکثر لوازم الکترونیکی مصرفی، آهنرباهای عناصر کمیاب در سایه قرار گرفته‌اند، آلنیکو همچنان در بازارهای خاص که مقاومت دمایی و مقاومت در برابر خوردگی آن غیرقابل جایگزین است، بسیار مهم است.