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稀土磁铁

稀土磁铁（Rare-earth magnet）是指由稀土元素合金所组成的强力永久磁铁，在1970至1980年代开始相关研究。在永久磁铁中，稀土磁铁所能产生的磁场最大，比铝镍钴合金磁铁或铁氧体磁铁的磁场都大很多。稀土磁铁一般可以产生超过1.4特斯拉的磁场，而铁氧体磁铁或陶瓷磁铁大约只有0.5至1个特斯拉。稀土磁铁中最常见的有以下二种：钕磁铁（也称做钕铁硼磁铁）及钐钴磁铁，二种磁铁分别含有稀土元素中的钕及钐。稀土磁铁的材质非常脆，而且容易受到腐蚀，因此一般会在外层镀其他金属保护稀土磁铁本身。

玻璃上的铁磁流体，玻璃下方为稀土磁铁

稀土磁铁的稀土一词常造成误解，其实稀土元素不是罕见稀有的元素[1] [2] ，在地壳上的丰度大约和锡和铅相当[3] 。稀土磁铁的研究约从1966年开始，美国空军材料实验室的科学家K. J. Strnat和G. Hoffer发现了钇和钴的合金YCo5，其磁向各异性（英语：magnetic anisotropy）常数较任何已知材料的数据都要高[4] [5] 。

钕磁铁（球体间的小圆筒）的磁力可吸住举起自身重量超过数千倍的物体。


磁性的原因

稀土元素是具有铁磁性的金属，像铁一様可以磁化，变成永久磁铁，但其居里温度比室温低，因此纯的稀土元素只有在低温下才有磁性。但若稀土元素和像铁、钴、镍等过渡金属形成化合物，其居里温度会高于室温，稀土磁铁就是由这类的化合物所构成。

稀土磁铁磁性较其他磁铁要高的原因是其晶体结构有很高的磁向各异性（英语：magnetic anisotropy），也就是金属晶体可以轻易的在特定方向上磁化，而在其他方向很难磁化。

稀土元素在固体时可以保持高磁矩的原因，是因为f轨域的电子未填满所造成的，最多可以有7个未成对电子以相同方向自旋。这些原子轨域的电子已高度定域化，因此可以保持其磁矩，产生类似顺磁中心的作用。其他轨域的电子因为和相邻轨域重叠，不易维持其磁矩，例如参与共价键的电子会形成电子对，总自旋为零。

原子层次的高磁矩及高的磁向各异性造成稀土磁铁的强磁性。

磁学性质

磁铁的重要性质包括：

稀土磁铁的剩磁高，矫顽力和最大能积较其他磁铁高很多，但其中钕铁硼磁铁的居里温度较其他磁铁要低。下表比较二种稀土磁铁：钕磁铁（Nd2Fe14B）及钐钴磁铁（SmCo5），以及其他种类的磁铁

磁铁 Br (T) Hci (kA/m) (BH)max (kJ/m3) Tc (°C)
Nd2Fe14B（烧结） 1.0–1.4 750–2000 200–440 310–400
Nd2Fe14B（粘结） 0.6–0.7 600–1200 60–100 310–400
SmCo5（烧结） 0.8–1.1 600–2000 120–200 720
Sm(Co,Fe,Cu,Zr)7 （烧结） 0.9–1.15 450–1300 150–240 800
铝镍钴磁铁（烧结） 0.6–1.4 275 10–88 700–860
锶烧结体（烧结） 0.2–0.4 100–300 10–40 450
铁棒磁铁（退火） ? 800[6] ? 770[7]

分类

钐钴磁铁

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钐钴磁铁是由钐、钴和其它金属稀土材料经配比，溶炼成合金，经粉碎、压型、烧结后制成的一种磁性工具材料，是最早发现的稀土磁铁。钐钴磁铁有两种组成比，分别为（钐原子：钴原子）1:5和2:17[8]。

钐钴磁铁具有高磁能积、极低的温度系数，最高工作温度可达350℃，负温不限，在工作温度180℃以上时，其最大磁能积（BHmax）、矫顽力、温度稳定性和化学稳定性均超过钕铁硼永磁材料。具有很强的抗腐蚀和抗氧化性。钐钴磁铁的最大能积（BHmax）的范围从 16 MGOe到 32 MGOe，其理论极限是 34 MGOe。

因为钐钴磁铁的价格高，而磁场强度较小，应用场合较少。由于钐钴磁铁的居里温度高，可适用在高温时需要较大磁场的场合。钐钴磁铁不易氧化，不过烧结的钐钴磁铁易碎，容易剥离及破裂，当受到热冲击时容易失效。

钕磁铁

主条目：钕磁铁
 
经过镍电镀后的钕铁硼磁铁立方体。

钕磁铁发明在1980年代，是磁性最强，也最容易取得的稀土磁铁。是由钕、铁、硼的合金构成：（Nd2Fe14B），因此也称为钕铁硼磁铁。钕磁铁可用在许多需要大磁场或是较小磁铁的场合，例如电池供电工具中的马达、硬盘及珠宝扣。钕磁铁的磁场强度是永久磁铁中最大的，相较于钐钴磁铁．钕磁铁的矫顽力较高，不过居里温度较低，而且比较容易被氧化。为了避免腐蚀的损害，使用时需要在钕磁铁表面做保护处理，例如用金、镍、锌、锡进行电镀，以及表面喷涂环氧树脂等。

早期由于原材料及专利授权费用高昂，钕磁铁的价格很高，只能用在一些需要高磁场强度的应用。但1990年起，钕磁铁的成本持续降低，因此有些有磁性的玩具也使用钕磁铁。

危害

由于稀土磁铁的磁力较其他磁铁强，会造成一些其他磁铁不会造成的危害。大小超过几公分的稀土磁铁磁性很强，若人体夹在二个相吸的磁铁，或是夹在磁铁或金属之间，会受伤甚至骨折[9] 。若二块稀土磁铁太过靠近，对彼此的磁力会使得易碎的稀土磁铁剥离或及碎裂，而破裂后的碎片也可能会让人受伤。曾经有小孩吞食了几个磁铁，磁铁在消化道中互相吸引而造成消化系统受伤。这种情形甚至可能造成肠穿孔、败血症，严重的话可能会致命[10]。

玩具业者在2007年采行自愿性安全标准，对于强力磁铁块做永久串连，以防止儿童吞咽，而把未串连的磁铁块的磁力降低，避免在吞咽后造成伤害。[11]2009年，由于成人磁性桌面玩具销量突然增长，而导致受伤害人数激增，在2012年因此而进入急诊室的案例估计有3,617例。[11]美国消费品安全委员会于2012年通过一项规则，把消费品中稀土磁体尺寸予以限制，但这项规定在2016年11月遭到美国联邦第十巡回上诉法院撤销。[12]规定被撤销后，全国吞咽事件数目急剧上升，估计在2019年有超过1,500例。[11]

更多信息：钕磁铁玩具（英语：Neodymium magnet toys）

应用

由于自1990年起，稀土磁铁的价格低，已可以在许多需要磁铁的科技产品中代替铝镍钴磁铁及铁素体，尤其其磁场较大，因此在一些应用下可以使用更小且更轻的磁铁。

常见应用

 
钕磁铁球，玩具

常见的稀土磁铁应用包括：

其他应用

其他稀土磁铁的应用包括：

无稀土永磁体

美国能源部已确定要在永磁技术中寻求稀土磁铁的替代品，并开始资助此类研究。美国能源高等研究计划署（英语：ARPA-E）（ARPA-E）赞助一项稀土替代品关键技术（Rare Earth Alternatives in Critical Technologies，REACT）计划，开发替代材料。ARPA-E在2011年拨出的款项达到3,160万美元。[14]

回收工作

欧盟的ETN-Demeter项目（欧洲训练网络（ETN），用于设计和回收油电混合和全电动车中永磁马达和发电机所包含的稀土）[15]正研究以可持续设计用在车辆用电动马达。而可在日后轻松从电动马达移除磁铁以便回收稀土金属。

欧盟欧洲研究委员会（英语：European Research Council）授予首席研究员Thomas Zemb教授和联合首席研究员Jean-Christophe P. Gabriel博士一项高级研究赞助，从事“产生低有害排放的稀土元素回收计划：REE-CYCLE”，目的在研发出回收稀土元素的新工艺。[16]

参见

参考文献

  1. ^ McCaig, Malcolm. Permanent Magnets in Theory and Practice. USA: Wiley. 1977: 123. ISBN 0-7273-1604-4. 
  2. ^ Sigel, Astrid; Helmut Sigel. The lanthanides and their interrelations with biosystems. USA: CRC Press. 2003: v. ISBN 0-8247-4245-1. 
  3. ^ Bobber, Robert J. New types of transducers. Underwater acoustics and signal processing: proceedings of the NATO Advanced Study Institute held at Kollekolle, Copenhagen, Denmark, August 18–29, 1980. USA: Springer: 251–252. 1981. 
  4. ^ Cullity, B. D.; C. D. Graham. Introduction to Magnetic Materials. Wiley-IEEE. 2008: 489. ISBN 0-471-47741-9. 
  5. ^ Lovelace, Alan M. More Mileage Than Programmed From Military R&D. Air University Review (US Air Force). March–April 1971, 22 (3): 14–23 [2013-02-19]. （原始内容存档于2013-02-24）. 
  6. ^ Introduction to Magnets and Magnetic Materials, David Jiles, Ames Laboratrories, US DoE, 1991
  7. ^ 3 Sources:
    • Beichner and Serway. Physics for Scientists & Engineers with Modern Physics. 5th ed. Orlando: Saunders College, 2000: 963.
    • Curie Temperature." McGraw-Hill Encyclopedia of Science & Technology. 8th ed. 20 vols. N.P: McGraw-Hill, 1997.
    • Hall, H.E and J.R. Hook. Solid State Physics. 2nd ed. Chichester: John Wiley & Sons Ltd, 1991: 226.
  8. ^ 电子能量公司网页：存档副本. [2016-08-31]. （原始内容存档于2009-08-11）. 
  9. ^ Swain, Frank. How to remove a finger with two super magnets. The Sciencepunk Blog. Seed Media Group LLC. March 6, 2009 [2013-02-19]. （原始内容存档于2009-03-10）. 
  10. ^ Magnet Safety Alert (PDF). U.S. Consumer Product Safety Commission. [7 August 2009]. （原始内容 (PDF)存档于2009年3月20日）. 
  11. ^ 11.0 11.1 11.2 Number of children swallowing dangerous magnets surges as industry largely polices itself. [2022-01-11]. （原始内容存档于2021-01-26）. 
  12. ^ CPSC Recall Snapshot (PDF). Alston & Bird. December 2016 [2022-01-11]. （原始内容 (PDF)存档于2022-01-11）. 
  13. ^ 存档副本. [2022-01-11]. （原始内容存档于2022-01-11）. 
  14. ^ Research Funding for Rare Earth Free Permanent Magnets. ARPA-E. [23 April 2013]. （原始内容存档于2013-10-10）. 
  15. ^ DEMETER project. etn-demeter.eu. [2022-01-11]. （原始内容存档于2022-06-16）. 
  16. ^ REE-CYCLE project. cordis.europa.eu. [2022-01-11]. （原始内容存档于2022-01-11）. 

进一步阅读

  • Furlani Edward P. (2001). "Permanent Magnet and Electromechanical Devices: Materials, Analysis and Applications". Academic Press Series in Electromagnetism. ISBN 0-12-269951-3.
  • Campbell Peter (1996). "Permanent Magnet Materials and their Application" (Cambridge Studies in Magnetism). ISBN 978-0-521-56688-9.
  • Brown, D. N.; B. Smith; B. M. Ma; P. Campbell. The Dependence of Magnetic Properties and Hot Workability of Rare Earth-Iron-Boride Magnets Upon Composition (PDF). IEEE Transactions on Magnetics. 2004, 40 (4): 2895–2897. Bibcode:2004ITM....40.2895B. ISSN 0018-9464. doi:10.1109/TMAG.2004.832240. （原始内容 (PDF)存档于2012-04-25）. 

外部链接

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