Удивительный магнитный материал NdFeB: малый размер, большая мощность

В сегодняшнюю эпоху стремительного технологического прогресса появился материал, который, несмотря на свой небольшой «рост», содержит в себе огромную энергию и играет важнейшую роль во многих областях — магнитные материалы NdFeB.

NdFeB (неодим-железо-бор) — это тип редкоземельного постоянного магнитного материала, в основном состоящего из неодима, железа и бора, с молекулярной формулой Nd₂Fe₁₄B. Неодим составляет 25%–35%, железо — 65%–75%, а бор — примерно 1%. Несмотря на кажущуюся простоту состава, он обладает исключительными свойствами и провозглашается «королем современных постоянных магнитов», являясь самым сильным постоянным магнитным материалом на сегодняшний день. Он может поднимать железные блоки в 1000 раз больше собственного веса и может похвастаться такими преимуществами, как высокая остаточная магнитная плотность, высокая коэрцитивная сила и высокое магнитное энергетическое произведение, при этом будучи относительно экономически эффективным.

История развития магнитных материалов NdFeB также отмечена технологическими инновациями. В 1970-х годах ученые начали изучать магнетизм редкоземельных сплавов и открыли некоторые сплавы с высокой коэрцитивной силой и относительно высокими магнитными энергетическими продуктами. К началу 1980-х годов исследователи из японской компании Sumitomo Electric Industries открыли сплавы NdFeB, чей магнитный энергетический продукт намного превосходил таковой у других известных магнитных материалов того времени. В 1982 году Sumitomo Electric Industries успешно изготовила магниты NdFeB и представила их для коммерческого использования. Впоследствии, с конца 1980-х по 1990-е годы, технологии производства постоянно совершенствовались, что повышало производительность и конкурентоспособность этих магнитов. Вступая в 21-й век, сфера применения магнитов NdFeB продолжала расширяться, преуспев в таких областях, как ветроэнергетика, электромобили, электроинструменты и электронные устройства. Развитие неодима и бора в Китае можно разделить на три этапа: с 1983 по 1996 год оно в основном следовало зарубежным технологиям; с 1996 по 2005 год решались проблемы массового производства и началось промышленное производство; с 2005 года по настоящее время оно сосредоточено на решении проблем высокопроизводительного магнитного регулирования, использования редкоземельных элементов и проблем эксплуатационной пригодности материалов.

В настоящее время производственные процессы для магнитов NdFeB в основном включают спекание, связывание и литье под давлением. Магниты NdFeB, полученные с использованием процесса спекания, демонстрируют чрезвычайно высокую коэрцитивную силу и максимальный продукт магнитной энергии, со стабильными магнитными свойствами и более легким весом по сравнению с обычными магнитами. Магниты, полученные с использованием процесса связывания, формируются за один этап, что исключает необходимость дополнительных операций резки, и могут быть обработаны в различные формы постоянных магнитов NdFeB посредством шлифования, нарезки, резки проволокой, выдалбливания и сверления.

С точки зрения областей применения магнитные материалы NdFeB достигли «многогранного успеха». В секторе NEV они являются ключевыми материалами для приводных двигателей, значительно повышая эффективность двигателей и дальность пробега. Спрос на NdFeB в отрасли NEV вырос с 8000 мт в 2015 году до 35000 мт в 2022 году, с годовым темпом роста в 23%. В секторе ветроэнергетики каждая ветровая турбина с постоянными магнитами с прямым приводом потребляет приблизительно 1 мт NdFeB, что делает его предпочтительным материалом для генераторов с постоянными магнитами из-за его высокого продукта магнитной энергии и превосходной температурной стабильности. В потребительской электронике такие продукты, как наушники TWS и микродвигатели, требуют сверхтонких магнитов, что стимулирует НИОКР нанокристаллического NdFeB. Он также широко используется в таких компонентах, как динамики, вибрационные двигатели и жесткие диски в смартфонах, планшетах и ​​ноутбуках. В секторе промышленной робототехники магнитные материалы NdFeB используются в двигателях, датчиках и других компонентах, повышая точность и надежность роботов. С быстрым ростом мирового рынка промышленной робототехники спрос на высокопроизводительный NdFeB продолжает расти. В медицинской сфере магниты NdFeB используются в оборудовании МРТ для создания сильных магнитных полей, помогая врачам в диагностике заболеваний, а также применяются в медицинских роботах и ​​устройствах магнитной терапии. Кроме того, магнитные материалы NdFeB эффективно повышают энергоэффективность и производительность оборудования в таких областях, как кондиционеры с переменной частотой, энергосберегающие лифты, серводвигатели и станки.

С точки зрения развития отрасли, глобальный толчок к углеродной нейтральности является движущей силой непрерывного расширения нового энергетического сектора. Международное энергетическое агентство прогнозирует, что к 2030 году уровень проникновения NEV в мире достигнет 60%, что соответствует спросу на NdFeB, потенциально превышающему 100 000 мт в год. Ожидается, что установленная мощность офшорной ветроэнергетики будет расти с годовым темпом 15%. Между тем, с развитием интеллектуальных производственных и промышленных интернет-технологий отрасль NdFeB постепенно достигает интеллектуального производства и цифровой трансформации. «14-й пятилетний план» Китая обозначил редкоземельные металлы как стратегические ресурсы, и правительство ввело ряд политических мер для поддержки НИОКР и производства новых материалов, таких как NdFeB.

Однако рынок редкоземельных постоянных магнитных материалов также сталкивается с некоторыми проблемами. Дефицит и волатильность цен на редкоземельные ресурсы являются существенными факторами, влияющими на развитие рынка. Редкоземельные элементы имеют ограниченные запасы на Земле, и поставки некоторых редкоземельных элементов сталкиваются с узкими местами. Кроме того, значительные колебания цен на редкоземельные элементы создают проблемы для контроля затрат на производство редкоземельных постоянных магнитных материалов. В будущем, с постоянным технологическим прогрессом, разработка новых типов редкоземельных постоянных магнитных материалов, снижение зависимости от дефицитных редкоземельных элементов и повышение показателей переработки ресурсов будут иметь ключевое значение для решения этих проблем.

Источник: https://news.metal.com/newscontent/103175838/The-Amazing-NdFeB-Magnetic-Material:-Small-Size-Great-Power-[SMM-Science-Popularization]