چرا به آهنربای نئودیمیوم «قوی‌ترین آهنربای دائمی» گفته می‌شود؟ حد بالای نظری ظرفیت ذخیره انرژی مغناطیسی آن چقدر است؟

1. ترکیب مواد و ساختار کریستالی

آهنرباهای نئودیمیوم قدرت خود را از ... می‌گیرند.  ساختار کریستالی تتراگونال Nd₂Fe₁₄B ، که نشان می‌دهد:

• ناهمسانگردی مغناطیسی-بلوری تک‌محوری بالا : کریستال ترجیحاً در امتداد محور c خود، با میدان ناهمسانگردی (Hₐ) تقریباً مغناطیس می‌شود.  ۷ تسلا (تی) . این ترجیح جهت‌دار، مقاومت قوی در برابر مغناطیس‌زدایی در جهات دیگر را تضمین می‌کند.
• مغناطش اشباع بالا (Js) این ماده می‌تواند به مغناطش اشباع دست یابد.  تقریباً ۱.۶ تن (۱۶ کیلوگرم) که آن را قادر می‌سازد انرژی مغناطیسی قابل توجهی را ذخیره کند. این به دلیل هم‌ترازی الکترون‌های جفت نشده در اتم‌های نئودیمیوم است که به ایجاد یک گشتاور دوقطبی مغناطیسی بزرگ کمک می‌کنند.
• تعاملات تبادلی قوی چیدمان اتم‌های Nd، Fe و B، کوپلینگ مغناطیسی قوی بین اسپین‌های اتمی مجاور را تسهیل می‌کند و هم‌ترازی دامنه‌ها را تقویت می‌کند.

2. پارامترهای مغناطیسی کلیدی

(الف) پسماند (Br)

پسماند مغناطیسی، چگالی شار مغناطیسی باقیمانده پس از اشباع آهنربا و حذف میدان خارجی است. برای آهنرباهای نئودیمیوم:

• مقادیر معمول Br :  1.0–1.5 T بسته به درجه (مثلاً N35 تا N55).
• مقایسه : بالاتر از کبالت ساماریوم (SmCo،  0.8–1.16 T ) و آهنرباهای فریت ( 0.35–0.45 T ).

(ب) وادارندگی (Hc)

وادارندگی، مقاومت در برابر مغناطیس‌زدایی را اندازه‌گیری می‌کند.:

• وادارندگی عادی (Hcb) :  0.875–۲.۷۹ میلی‌آمپر بر متر مکعب  (11–۳۵ کیلو اوره).
• وادارندگی ذاتی (Hci) : حتی بالاتر، به دلیل فاز مرز دانه غنی از Nd که حوزه‌های مغناطیسی را ایزوله می‌کند و جفت‌شدگی تبادل بین دانه‌ای را کاهش می‌دهد.
• وابستگی به دما : Hc با افزایش دما کاهش می‌یابد، اما آهنرباهای نئودیمیوم نیروی وادارندگی را بهتر از آهنرباهای فریت حفظ می‌کنند (مثلاً در 100°C، N52 تقریباً 80٪ از Hci دمای اتاق خود را حفظ می‌کند).

(ج) حداکثر حاصلضرب انرژی مغناطیسی (BHmax)

BHmax نشان دهنده حداکثر چگالی انرژی ذخیره شده در میدان مغناطیسی است:

• مقادیر معمول BHmax :  200–۴۲۰ کیلوژول بر متر مربع³ (25–۵۲ مگاژول  برای آهنرباهای NdFeB متخلخل.
• مقایسه :
  • اسمکتو:  160–۲۸۰ کیلوژول بر متر مربع³ (20–۳۵ مگاژول .
  • فریت:  10–۳۶ کیلوژول بر متر مربع³ (1.2–۴.۵ مگاژول .
  • آلنیکو:  10–۸۸ کیلوژول بر متر مربع³ (1.2–۱۱ مگاژول .
• مزیت چگالی انرژی فروشگاه آهنرباهای NdFeB  12–۱۸ برابر انرژی بیشتر در واحد حجم  نسبت به آهنرباهای فریت، آنها را برای کاربردهای جمع و جور و با کارایی بالا ایده‌آل می‌کند.

3. حد بالای نظری ذخیره انرژی مغناطیسی

حداکثر حاصلضرب انرژی (BHmax) از لحاظ تئوری توسط جنس ماده محدود می‌شود.  مغناطش اشباع (Js)  و  وادارندگی (Hci) . حد ایده‌آل از رابطه زیر بدست می‌آید  مدل استونر-ولفارث که فرض می‌کند هم‌ترازی دامنه کامل است و هیچ میدان مغناطیسی وجود ندارد:

کجا:

• μ0​  نفوذپذیری فضای آزاد است ( 4π×۱۰&منهای؛ ۷ ساعت بر متر ).
• جی اس  مغناطش اشباع (بر حسب تسلا) است.

برای Nd₂Fe₁₄B ( جی‌اس​&بی‌اختصاصی؛۱.۶T ):

با این حال، محدودیت‌های عملی این مقدار را کاهش می‌دهند:

• میدان‌های مغناطیس‌زدایی میدان‌های داخلی با مغناطش مخالفت می‌کنند و BHmax را کاهش می‌دهند.
• نقص‌های مرز دانه نقص‌ها، هم‌ترازی دامنه را مختل می‌کنند و Jهای مؤثر را کاهش می‌دهند.
• اثرات دما : همزدن حرارتی، نظم مغناطیسی را در دماهای بالا تضعیف می‌کند.

محدودیت‌های عملی فعلی :

• آهنرباهای NdFeB متخلخل : تا  ۴۲۰ کیلوژول بر متر مربع³ (۵۲ مگاژول)  برای گریدهای تجاری (مثلاً N55).
• مرزهای تحقیق :
  • نفوذ مرز دانه افزودن عناصر خاکی کمیاب سنگین (مثلاً Dy و Tb) باعث افزایش Hci اما کاهش جزئی Js می‌شود و BHmax را متعادل می‌سازد.
  • آهنرباهای نانوبلوری تغییر شکل یافته در اثر حرارت : محقق شده  ۴۷۴ کیلوژول بر متر مکعب³ (۵۹.۵ مگاژول)  در تنظیمات آزمایشگاهی با بهینه‌سازی اندازه و جهت‌گیری دانه.
  • پیش‌بینی‌های نظری برخی مطالعات نشان می‌دهند که BHmax می‌تواند به ... برسد.  حدود ۶۰۰ کیلوژول بر متر مربع³ (۷۵ مگاژول)  با نانوساختارسازی پیشرفته، هرچند این موضوع در مقیاس بزرگ هنوز اثبات نشده است.

4. چرا آهنرباهای نئودیمیوم از بقیه بهتر عمل می‌کنند؟

• هم‌افزایی بالای Br و Hc آهنرباهای NdFeB به تعادل نادری از مغناطش پسماند قوی و وادارندگی دست می‌یابند که باعث افزایش BHmax می‌شود.
• مقرون به صرفه بودن علیرغم هزینه‌های بالاتر مواد اولیه، چگالی انرژی برتر آنها حجم (و در نتیجه هزینه) مورد نیاز برای یک کاربرد خاص را کاهش می‌دهد.
• تطبیق پذیری : به دلیل اندازه جمع و جور و عملکرد بالا در وسایل نقلیه الکتریکی، توربین‌های بادی، دستگاه‌های MRI پزشکی و لوازم الکترونیکی مصرفی مورد استفاده قرار می‌گیرند.

5. محدودیت‌ها و مسیرهای آینده

• حساسیت دما آهنرباهای NdFeB در دماهای بالاتر از 0.5 درجه سانتیگراد، نیروی وادارندگی خود را از دست می‌دهند.  150–200°C ، استفاده در محیط‌های با دمای بالا را محدود می‌کند. آهنرباهای SmCo (دمای کوری):  700–850°C ) با وجود BHmax کمتر، در اینجا ترجیح داده می‌شوند.
• آسیب‌پذیری خوردگی Nd بسیار واکنش‌پذیر است؛ برای جلوگیری از اکسیداسیون، پوشش‌هایی (مانند نیکل، روی، اپوکسی) مورد نیاز است.
• وابستگی به عناصر کمیاب : نئودیمیم یک ماده اولیه حیاتی با خطرات زنجیره تأمین است. تحقیقات بر روی:
  • کاهش استفاده سنگین از عناصر کمیاب توسعه آهنرباهای بدون Dy یا با Dy کم از طریق مهندسی مرز دانه.
  • مواد جایگزین بررسی آلیاژهای FeN، MnBi یا Fe₁₆N₂، اگرچه در حال حاضر هیچ‌کدام با NdFeB برابری نمی‌کنند.’حداکثر BH.

نتیجه‌گیری

آهنرباهای نئودیمیوم به دلیل ساختار کریستالی منحصر به فرد Nd₂Fe₁₄B که ترکیبی از پسماند بالا، وادارندگی و تولید انرژی است، قوی‌ترین آهنرباهای دائمی هستند. در حالی که حد نظری BHmax آنها برابر است با  حدود ۸۰۴ کیلوژول بر متر مربع³ (۱۰۱ مگاژن) محدودیت‌های عملی آن را محدود می‌کنند  تقریباً ۴۲۰ کیلوژول بر متر مربع³ (۵۲ مگاژول)  برای نمرات تجاری. تحقیقات مداوم با هدف کنار زدن این محدودیت‌ها از طریق نانوساختارسازی و نوآوری در مواد انجام می‌شود و تضمین می‌کند که آهنرباهای NdFeB در دهه‌های آینده در کاربردهای با کارایی بالا ضروری باقی بمانند.