Hanes magnetau parhaol daear prin ar gyfer moduron

Elfennau prin y ddaear (magnetau parhaol daear prin) yn 17 o elfennau metelaidd yng nghanol y tabl cyfnodol (rhifau atomig 21, 39, a 57-71) sydd â phriodweddau fflwroleuol, dargludol a magnetig anarferol sy'n eu gwneud yn anghydnaws â metelau mwy cyffredin fel Haearn) yn ddefnyddiol iawn pan wedi'i aloi neu wedi'i gymysgu mewn symiau bach. Yn ddaearegol, nid yw elfennau daear prin yn arbennig o brin. Mae dyddodion o'r metelau hyn i'w cael mewn sawl rhan o'r byd, ac mae rhai elfennau yn bresennol mewn tua'r un faint â chopr neu dun. Fodd bynnag, nid yw elfennau daear prin erioed wedi'u canfod mewn crynodiadau uchel iawn ac maent yn aml yn cael eu cymysgu â'i gilydd neu ag elfennau ymbelydrol fel wraniwm. Mae priodweddau cemegol elfennau daear prin yn ei gwneud hi'n anodd gwahanu'r deunyddiau cyfagos, ac mae'r priodweddau hyn hefyd yn eu gwneud yn anodd eu puro. Mae angen llawer iawn o fwyn ar ddulliau cynhyrchu presennol ac maent yn cynhyrchu symiau mawr o wastraff peryglus i echdynnu symiau bach yn unig o fetelau daear prin, gyda gwastraff o ddulliau prosesu gan gynnwys dŵr ymbelydrol, fflworin gwenwynig ac asidau.

Y magnetau parhaol cynharaf a ddarganfuwyd oedd mwynau a oedd yn darparu maes magnetig sefydlog. Hyd at ddechrau'r 19eg ganrif, roedd magnetau'n fregus, yn ansefydlog, ac wedi'u gwneud o ddur carbon. Ym 1917, darganfu Japan ddur magnet cobalt, a wnaeth welliannau. Mae perfformiad magnetau parhaol wedi parhau i wella ers eu darganfod. Ar gyfer Alnicos (aloi Al/Ni/Co) yn y 1930au, amlygwyd yr esblygiad hwn yn y nifer uchaf o gynnyrch ynni cynyddol (BH) mwyaf, a oedd yn gwella ffactor ansawdd magnetau parhaol yn fawr, ac ar gyfer cyfaint penodol o magnetau, y gellid Trosi'r dwysedd ynni uchaf yn bŵer y gellir ei ddefnyddio mewn peiriannau sy'n defnyddio magnetau.

Darganfuwyd y magnet ferrite cyntaf yn ddamweiniol ym 1950 yn y labordy ffiseg sy'n perthyn i Philips Industrial Research yn yr Iseldiroedd. Fe wnaeth cynorthwyydd ei syntheseiddio trwy gamgymeriad - roedd i fod i baratoi sampl arall i'w astudio fel deunydd lled-ddargludyddion. Canfuwyd ei fod yn magnetig mewn gwirionedd, felly fe'i trosglwyddwyd i'r tîm ymchwil magnetig. Oherwydd ei berfformiad da fel magnet a chost cynhyrchu is. O'r herwydd, roedd yn gynnyrch a ddatblygwyd gan Philips a oedd yn nodi dechrau cynnydd cyflym yn y defnydd o magnetau parhaol.

Yn y 1960au, y magnetau daear prin cyntaf(magnetau parhaol daear prin)wedi'u gwneud o aloion o'r elfen lanthanide, yttrium. Maent yn magnetau parhaol cryfaf gyda magnetization dirlawnder uchel ac ymwrthedd da i demagnetization. Er eu bod yn ddrud, yn fregus ac yn aneffeithlon ar dymheredd uchel, maent yn dechrau dominyddu'r farchnad wrth i'w cymwysiadau ddod yn fwy perthnasol. Daeth perchnogaeth cyfrifiaduron personol yn gyffredin yn yr 1980au, a oedd yn golygu bod galw mawr am magnetau parhaol ar gyfer gyriannau caled.

Datblygwyd aloion fel samarium-cobalt yng nghanol y 1960au gyda'r genhedlaeth gyntaf o fetelau trosiannol a daearoedd prin, ac ar ddiwedd y 1970au, cododd pris cobalt yn ddifrifol oherwydd cyflenwadau ansefydlog yn y Congo. Bryd hynny, y magnetau parhaol samarium-cobalt (BH) uchaf oedd yr uchaf a bu'n rhaid i'r gymuned ymchwil ddisodli'r magnetau hyn. Ychydig flynyddoedd yn ddiweddarach, ym 1984, cynigiwyd datblygu magnetau parhaol yn seiliedig ar Nd-Fe-B gyntaf gan Sagawa et al. Defnyddio technoleg meteleg powdr yn Sumitomo Special Metals, gan ddefnyddio'r broses nyddu toddi gan General Motors. Fel y dangosir yn y ffigur isod, mae (BH)max wedi gwella dros bron i ganrif, gan ddechrau ar ≈1 MGOe ar gyfer dur a chyrraedd tua 56 MGOe ar gyfer magnetau NdFeB dros yr 20 mlynedd diwethaf.

Mae cynaliadwyedd mewn prosesau diwydiannol wedi dod yn flaenoriaeth yn ddiweddar, ac mae elfennau daear prin, sydd wedi'u cydnabod gan wledydd fel deunyddiau crai allweddol oherwydd eu risg cyflenwad uchel a phwysigrwydd economaidd, wedi agor meysydd ar gyfer ymchwil i fagnetau parhaol di-ddaear prin newydd. Un cyfeiriad ymchwil posibl yw edrych yn ôl ar y magnetau parhaol a ddatblygwyd cynharaf, magnetau ferrite, a'u hastudio ymhellach gan ddefnyddio'r holl offer a dulliau newydd sydd ar gael yn y degawdau diwethaf. Mae sawl sefydliad bellach yn gweithio ar brosiectau ymchwil newydd sy'n gobeithio disodli magnetau daear prin â dewisiadau amgen gwyrddach, mwy effeithlon.