Los imanes de tierras raras son fuertes imanes permanentes hechos de aleaciones de elementos de tierras raras . Desarrollados en las décadas de 1970 y 1980, los imanes de tierras raras son el tipo más fuerte de imanes permanentes fabricados, produciendo campos magnéticos significativamente más fuertes que otros tipos, como los imanes de ferrita o álnico . El campo magnético típicamente producido por los imanes de tierras raras puede exceder los 1,4 teslas , mientras que los imanes de ferrita o cerámica normalmente exhiben campos de 0,5 a 1 tesla.
Hay dos tipos: imanes de neodimio e imanes de samario-cobalto . Los imanes de tierras raras son extremadamente frágiles y también vulnerables a la corrosión , por lo que generalmente están chapados o recubiertos para protegerlos de romperse, astillarse o desmoronarse en polvo.
El desarrollo de los imanes de tierras raras comenzó alrededor de 1966, cuando KJ Strnat y G. Hoffer del Laboratorio de Materiales de la Fuerza Aérea de EE . UU . Descubrieron que una aleación de itrio y cobalto , YCo 5 , tenía, con mucho, la mayor constante de anisotropía magnética de todos los materiales conocidos en ese momento. . [1] [2]
El término "tierras raras" puede inducir a error, ya que algunos de estos metales pueden ser [3] [4] tan abundantes en la corteza terrestre como el estaño o el plomo, [5] pero los minerales de tierras raras no existen en las vetas (como el carbón o cobre), por lo que en cualquier kilómetro cúbico de corteza son "raros". Actualmente, la fuente principal es China . [6] Algunos países clasifican los metales de tierras raras como estratégicamente importantes, [7] y las recientes restricciones chinas a la exportación de estos materiales han llevado a algunos a iniciar programas de investigación para desarrollar imanes potentes que no requieran metales de tierras raras.
Explicación de la fuerza
Los elementos de tierras raras ( lantánidos ) son metales que son ferromagnéticos , lo que significa que, como el hierro , pueden magnetizarse para convertirse en imanes permanentes , pero sus temperaturas de Curie (la temperatura por encima de la cual desaparece su ferromagnetismo) están por debajo de la temperatura ambiente, por lo que en forma pura su el magnetismo solo aparece a bajas temperaturas. Sin embargo, forman compuestos con metales de transición como hierro , níquel y cobalto , y algunos de estos compuestos tienen temperaturas de Curie muy por encima de la temperatura ambiente. Los imanes de tierras raras están hechos de estos compuestos.
La mayor fuerza de los imanes de tierras raras se debe principalmente a dos factores:
- Primero, sus estructuras cristalinas tienen una anisotropía magnética muy alta . Esto significa que un cristal del material se magnetiza preferentemente a lo largo de un eje de cristal específico, pero es muy difícil de magnetizar en otras direcciones. Al igual que otros imanes, los imanes de tierras raras están compuestos de granos microcristalinos , que se alinean en un poderoso campo magnético durante la fabricación, por lo que todos sus ejes magnéticos apuntan en la misma dirección. La resistencia de la red cristalina a girar su dirección de magnetización le da a estos compuestos una coercitividad magnética muy alta (resistencia a la desmagnetización), de modo que el fuerte campo de desmagnetización dentro del imán terminado no reduce la magnetización del material .
- En segundo lugar, los átomos de elementos de tierras raras pueden tener momentos magnéticos elevados . Sus estructuras de electrones orbitales contienen muchos electrones desapareados ; en otros elementos, casi todos los electrones existen en pares con espines opuestos, por lo que sus campos magnéticos se cancelan, pero en las tierras raras hay mucha menos cancelación magnética. Esto es una consecuencia del llenado incompleto de la capa f , que puede contener hasta 7 electrones desapareados. En un imán, son los electrones desapareados, alineados de modo que giran en la misma dirección, los que generan el campo magnético. Esto le da a los materiales una alta remanencia ( magnetización de saturación J s ). La densidad de energía máxima B · H max es proporcional a J s 2 , por lo que estos materiales tienen el potencial de almacenar grandes cantidades de energía magnética. El producto de energía magnética B · H max de los imanes de neodimio es aproximadamente 18 veces mayor que los imanes "ordinarios" en volumen. Esto permite que los imanes de tierras raras sean más pequeños que otros imanes con la misma intensidad de campo.
Propiedades magnéticas
Algunas propiedades importantes que se utilizan para comparar los imanes permanentes son: remanencia ( B r ), que mide la fuerza del campo magnético; coercitividad ( H ci ), la resistencia del material a desmagnetizarse; producto energético ( B · H max ), la densidad de la energía magnética; y temperatura de Curie ( T C ), la temperatura a la que el material pierde su magnetismo. Los imanes de tierras raras tienen una mayor remanencia, una coercitividad y un producto energético mucho más altos, pero (para el neodimio) una temperatura de Curie más baja que otros tipos. La siguiente tabla compara el rendimiento magnético de los dos tipos de imanes de tierras raras, neodimio (Nd 2 Fe 14 B) y samario-cobalto (SmCo 5 ), con otros tipos de imanes permanentes.
Imán | preparación | B r ( T ) | H ci (k A / m) | B · H máx. (K J / m 3 ) | T C ( ° C ) |
---|---|---|---|---|---|
Nd 2 Fe 14 B | sinterizado | 1.0–1.4 | 750–2000 | 200–440 | 310–400 |
Nd 2 Fe 14 B | garantizado | 0,6-0,7 | 600-1200 | 60-100 | 310–400 |
SmCo 5 | sinterizado | 0,8-1,1 | 600-2000 | 120-200 | 720 |
Sm (Co, Fe, Cu, Zr) 7 | sinterizado | 0,9-1,15 | 450-1300 | 150–240 | 800 |
Alnico | sinterizado | 0,6-1,4 | 275 | 10–88 | 700–860 |
Sr-ferrita | sinterizado | 0,2-0,4 | 100–300 | 10–40 | 450 |
Imán de barra de hierro (Fe) | recocido | ? | 800 [8] | ? | 770 [9] |
Fuente: [ cita requerida ]
Tipos
Samario-cobalto
Los imanes de samario-cobalto (fórmula química: Sm Co 5 ), la primera familia de imanes de tierras raras inventada, se utilizan menos que los imanes de neodimio debido a su mayor costo y menor intensidad de campo magnético. Sin embargo, el samario-cobalto tiene una temperatura de Curie más alta , lo que crea un nicho para estos imanes en aplicaciones donde se necesita una alta intensidad de campo a altas temperaturas de funcionamiento . Son altamente resistentes a la oxidación, pero los imanes de samario-cobalto sinterizados son frágiles y propensos a astillarse y agrietarse y pueden fracturarse cuando se someten a un choque térmico .
Neodimio
Los imanes de neodimio , inventados en la década de 1980, son el tipo de imán de tierras raras más potente y asequible . Están hechos de una aleación de neodimio , hierro y boro ( Nd 2 Fe 14 B ), a veces abreviado como NIB. Los imanes de neodimio se utilizan en numerosas aplicaciones que requieren imanes permanentes fuertes y compactos, como motores eléctricos para herramientas inalámbricas , unidades de disco duro , sujeciones magnéticas y cierres de joyería. Tienen la fuerza de campo magnético más alta y tienen una mayor coercitividad (lo que los hace magnéticamente estables), pero tienen una temperatura de Curie más baja y son más vulnerables a la oxidación que los imanes de samario-cobalto.
La corrosión puede hacer que los imanes desprotegidos se desprendan de una capa superficial o se desmoronen en polvo. El uso de tratamientos protectores de superficies como oro , níquel , zinc y revestimiento de estaño y resina epoxi puede proporcionar protección contra la corrosión; la mayoría de los imanes de neodimio utilizan niquelado para proporcionar una protección sólida.
Originalmente, el alto costo de estos imanes limitaba su uso a aplicaciones que requerían compacidad junto con una alta intensidad de campo. Tanto las materias primas como las licencias de patentes eran caras. Sin embargo, desde la década de 1990, los imanes NIB se han vuelto cada vez menos costosos y su menor costo ha inspirado nuevos usos, como los juguetes de construcción magnéticos .
Peligros
La mayor fuerza ejercida por los imanes de tierras raras crea peligros que no se ven con otros tipos de imanes. Los imanes de más de unos pocos centímetros son lo suficientemente fuertes como para causar lesiones en las partes del cuerpo atrapadas entre dos imanes o un imán y una superficie de metal, e incluso causar fracturas de huesos. [10] Los imanes a los que se les permite acercarse demasiado entre sí pueden golpearse entre sí con suficiente fuerza para astillar y romper el material quebradizo, y las astillas voladoras pueden causar lesiones. A partir de 2005, potentes imanes que rompían juguetes o conjuntos de construcción magnéticos comenzaron a causar lesiones y muertes. [11] A los niños pequeños que han ingerido varios imanes se les ha pellizcado un pliegue del tracto digestivo entre los imanes, lo que les ha causado lesiones y, en un caso, perforaciones intestinales, sepsis y muerte. [12]
En 2007 se adoptó un estándar voluntario para juguetes, que fusiona permanentemente imanes fuertes para evitar que se traguen y que limita la fuerza de los imanes desconectados. [11] En 2009, un aumento repentino en las ventas de juguetes de escritorio magnéticos para adultos provocó un aumento en las lesiones, con emergencias visitas a salas estimadas en 3.617 en 2012. [11] En respuesta, la Comisión de Seguridad de Productos para el Consumidor de EE. UU. aprobó una regla en 2012 que restringe el tamaño del imán de tierras raras en los productos de consumo, pero fue anulada por una decisión de un tribunal federal de EE. un caso presentado por el único fabricante restante. [13] Después de que se anuló la regla, el número de incidentes de ingestión en el país aumentó drásticamente y se estima que superará los 1.500 en 2019. [11]
Aplicaciones
Desde que sus precios se volvieron competitivos en la década de 1990, los imanes de neodimio han reemplazado a los imanes de alnico y ferrita en las muchas aplicaciones de la tecnología moderna que requieren imanes potentes. Su mayor resistencia permite utilizar imanes más pequeños y ligeros para una aplicación determinada.
Aplicaciones habituales
Las aplicaciones comunes de los imanes de tierras raras incluyen:
- unidades de disco duro de computadora
- generadores de turbina eólica
- altavoces / auriculares
- dinamos de bicicleta
- Escáneres de resonancia magnética
- frenos de carrete de pesca
- motores de imán permanente en herramientas inalámbricas
- servomotores AC de alto rendimiento
- motores de tracción y generadores de arranque integrados en vehículos híbridos y eléctricos
- Linternas accionadas mecánicamente , que emplean imanes de tierras raras para generar electricidad con un movimiento de agitación o un movimiento giratorio (accionado por manivela).
- usos industriales como mantener la pureza del producto, la protección del equipo y el control de calidad
- Captura de finas partículas metálicas en aceites lubricantes (cárteres de motores de combustión interna, también cajas de cambios y diferenciales), para mantener dichas partículas fuera de circulación, impidiéndolas causar desgaste abrasivo de las partes móviles de la máquina.
Otras aplicaciones
Otras aplicaciones de los imanes de tierras raras incluyen:
- Motores lineales (usados en trenes maglev , etc.)
- Animación en stop motion : como amarres cuando el uso de amarres tradicionales con tornillos y tuercas no es práctico.
- Experimentación de levitación diamagnética , estudio de la dinámica del campo magnético y levitación de superconductores .
- Cojinetes electrodinámicos
- Se lanzó la tecnología de montaña rusa que se encuentra en la montaña rusa y otras atracciones emocionantes .
- Throwies LED , pequeños LED conectados a una batería de botón y un pequeño imán de tierras raras, utilizados como una forma de graffiti no destructivo y arte público temporal.
- Juguetes con imán de neodimio
- Pastillas de guitarra eléctrica
- Figuras en miniatura , para las cuales los imanes de tierras raras han ganado popularidad en la comunidad de juegos de miniaturas por su pequeño tamaño y fuerza relativa, que ayudan a basar e intercambiar armas entre modelos.
Imanes permanentes libres de tierras raras
El Departamento de Energía de los Estados Unidos ha identificado la necesidad de encontrar sustitutos de los metales de tierras raras en la tecnología de imanes permanentes y ha comenzado a financiar dicha investigación. La Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada-Energía (ARPA-E) ha patrocinado un programa de Alternativas de Tierras Raras en Tecnologías Críticas (REACT) para desarrollar materiales alternativos. En 2011, ARPA-E otorgó 31,6 millones de dólares para financiar proyectos sustitutos de tierras raras. [14]
Esfuerzos de reciclaje
La Unión Europea proyecto ETN-Demeter (Red Europea de Formación para el pleno Vehículos Eléctricos Diseño y reciclaje de tierras raras de imanes permanentes Motores y Generadores en híbrido y) 's [15] está examinando el diseño sostenible de los motores eléctricos utilizados en los vehículos. Por ejemplo, están diseñando motores eléctricos en los que los imanes se pueden quitar fácilmente para reciclar los metales de tierras raras.
La Unión Europea 's Consejo Europeo de Investigación también otorgó a investigador principal, el profesor Thomas Zemb, y co-investigador principal, el Dr. Jean-Christophe P. Gabriel, una Beca de Investigación Avanzada para el proyecto "Rare Earth Elemento de reciclaje con bajas emisiones nocivas : REE-CYCLE ", cuyo objetivo era encontrar nuevos procesos para el reciclaje de tierras raras . [dieciséis]
Ver también
- Economía circular : sistema regenerativo en el que se minimizan la entrada de recursos y el desperdicio, las emisiones y las fugas de energía.
- Lantánido : elementos metálicos trivalentes de tierras raras
- Pesca con imanes : búsqueda en aguas exteriores de objetos ferromagnéticos
- Reciclaje : conversión de materiales de desecho en nuevos productos
- Imán de samario-cobalto : potente imán permanente hecho de una aleación de un elemento de tierras raras y cobalto
Referencias
- ^ Cullity, BD; Graham, CD (2008). Introducción a los materiales magnéticos . Wiley-IEEE. pag. 489. ISBN 0-471-47741-9.
- ^ Lovelace, Alan M. (marzo-abril de 1971). "Más kilometraje que el programado de I + D militar" . Revisión de la Universidad del Aire . Fuerza Aérea de EE. UU. 22 (3): 14-23 . Consultado el 4 de julio de 2012 .
- ^ McCaig, Malcolm (1977). Imanes permanentes en teoría y práctica . Estados Unidos: Wiley. pag. 123. ISBN 0-7273-1604-4.
- ^ Sigel, Astrid; Helmut Sigel (2003). Los lantánidos y sus interrelaciones con los biosistemas . Estados Unidos: CRC Press. pp. v. ISBN 0-8247-4245-1.
- ^ Bobber, RJ (1981). "Nuevos tipos de transductores". Procesamiento de señales y acústica subacuática . pag. 243. doi : 10.1007 / 978-94-009-8447-9_20 . ISBN 978-94-009-8449-3.
- ^ Walsh, Bryan (13 de marzo de 2012). "Con ganas de luchar: Estados Unidos se enreda con China sobre las exportaciones de tierras raras" . Revista Time . Consultado el 13 de noviembre de 2017 .
- ^ Chu, Steven (2011). Estrategia de materiales críticos . Editorial DIANE. pp. 96 -98. ISBN 1437944183.
Imanes de tierras raras de China.
- ^ Introducción a los imanes y materiales magnéticos, David Jiles, Ames Laboratrories, US DoE, 1991
- ^ 3 Fuentes:
- Beichner y Serway. Física para científicos e ingenieros con física moderna. 5ª ed. Orlando: Saunders College, 2000: 963.
- Temperatura de Curie. "Enciclopedia de ciencia y tecnología de McGraw-Hill. 8ª ed. 20 vols. NP: McGraw-Hill, 1997.
- Hall, HE y JR Hook. Física del estado sólido. 2ª ed. Chichester: John Wiley & Sons Ltd, 1991: 226.
- ^ Swain, Frank (6 de marzo de 2009). "Cómo quitar un dedo con dos super imanes" . El blog de Sciencepunk . Seed Media Group LLC . Consultado el 1 de noviembre de 2017 .
- ^ a b c d El número de niños que ingieren peligrosos imanes aumenta a medida que la industria se controla en gran medida a sí misma
- ^ "Alerta de seguridad magnética" (PDF) . Comisión de Seguridad de Productos de Consumo de EE. UU . Consultado el 20 de julio de 2014 .
- ^ "Instantánea de recuperación de la CPSC" (PDF) . Alston y Bird. Diciembre de 2016.
- ^ "Financiamiento de la investigación de imanes permanentes libres de tierras raras" . ARPA-E . Consultado el 23 de abril de 2013 .
- ^ "Proyecto DEMETER" . etn-demeter.eu .
- ^ "Proyecto REE-CYCLE" . cordis.europa.eu .
Otras lecturas
- Furlani Edward P. (2001). "Dispositivos electromagnéticos y de imanes permanentes: materiales, análisis y aplicaciones". Ciclo de Prensa Académica en Electromagnetismo. ISBN 0-12-269951-3 .
- Campbell Peter (1996). "Materiales de imán permanente y su aplicación" (Cambridge Studies in Magnetism). ISBN 978-0-521-56688-9 .
- Marrón, DN; B. Smith; BM Ma; P. Campbell (2004). "La dependencia de las propiedades magnéticas y la trabajabilidad en caliente de los imanes de boruro de hierro de tierras raras sobre la composición" (PDF) . Transacciones IEEE sobre Magnetismo . 40 (4): 2895–2897. Código Bibliográfico : 2004ITM .... 40.2895B . doi : 10.1109 / TMAG.2004.832240 . ISSN 0018-9464 . Archivado desde el original (PDF) el 25 de abril de 2012.
enlaces externos
- Especificaciones estándar para materiales de imanes permanentes (Asociación de productores de materiales magnéticos)
- Edwards, Lin (22 de marzo de 2010). "El compuesto de hierro y nitrógeno forma el imán más fuerte conocido" . PhysOrg .