Supermagnete
Ein Neodym-Magnet (auch als NdFeB-, NIB- oder Neo-Magnet bekannt) ist der am weitesten verbreitete Typ von Seltenerdmagneten. Es handelt sich um einen Dauermagneten, der aus einer Legierung aus Neodym, Eisen und Bor hergestellt wird, um die tetragonale kristalline Nd2Fe14B-Struktur zu bilden.1984 von General Motors und Sumitomo Special Metals unabhängig voneinander entwickelt, Supermagnete stärkste kommerziell erhältliche Dauermagnettyp. Aufgrund unterschiedlicher Herstellungsverfahren werden sie in zwei Unterkategorien unterteilt, nämlich gesinterte NdFeB-Magnete und gebundene NdFeB-Magnete. Sie haben in vielen Anwendungen in modernen Produkten, die starke Permanentmagnete erfordern, wie z. B. Elektromotoren in schnurlosen Werkzeugen, Festplattenlaufwerken und magnetischen Befestigungselementen, andere Magnettypen ersetzt.
Die Entdeckung der Supermagnete
General Motors (GM) und Sumitomo Special Metals entdeckten 1984 unabhängig voneinander fast gleichzeitig die Verbindung Nd2Fe14B. Die Forschung wurde zunächst durch die hohen Rohstoffkosten der SmCo-Permanentmagnete vorangetrieben, die bereits früher entwickelt worden waren. GM konzentrierte sich auf die Entwicklung von schmelzgesponnenen nanokristallinen Nd2Fe14B-Magneten, während Sumitomo gesinterte Nd2Fe14B-Magnete mit voller Dichte entwickelte. GM vermarktete seine Erfindungen des isotropen Neo-Pulvers, der gebundenen Neo-Magnete und der damit verbundenen Produktionsprozesse durch die Gründung von Magnequench im Jahr 1986 (Magnequench ist seitdem Teil von Neo Materials Technology, Inc. geworden, die später in Molycorp aufging). Das Unternehmen lieferte schmelzgesponnenes Nd2Fe14B-Pulver an Hersteller von Verbundmagneten. Die Anlage in Sumitomo wurde Teil der Hitachi Corporation und stellte gesinterte Nd2Fe14B-Magnete her, vergab aber auch Lizenzen an andere Unternehmen, um gesinterte Nd2Fe14B-Magnete herzustellen. Hitachi verfügt über mehr als 600 Patente für Neodym-Magnete.
Wo kommen die Supermagnete her?
Chinesische Hersteller sind zu einer dominierenden Kraft bei der Produktion von Neodym-Magneten geworden, da sie einen Großteil der weltweiten Quellen von Seltenerdminen kontrollieren.
Das Energieministerium der Vereinigten Staaten hat die Notwendigkeit erkannt, Ersatz für Seltenerdmetalle in der Permanentmagnettechnologie zu finden, und hat diese Forschung finanziert. Die Advanced Research Projects Agency-Energy hat ein REACT-Programm (Rare Earth Alternatives in Critical Technologies) zur Entwicklung alternativer Materialien gesponsert. Im Jahr 2011 vergab die ARPA-E 31,6 Millionen Dollar zur Finanzierung von Seltene Erden-Ersatzprojekten. Wegen seiner Rolle bei Permanentmagneten, die für Windturbinen verwendet werden, wurde argumentiert, dass Neodym in einer Welt, die von erneuerbaren Energien lebt, eines der Hauptobjekte des geopolitischen Wettbewerbs sein wird. Aber diese Perspektive wurde kritisiert, weil sie nicht erkannt hat, dass die meisten Windturbinen keine Permanentmagnete verwenden, und weil sie die Macht der wirtschaftlichen Anreize für eine Ausweitung der Produktion unterschätzt hat.
Wie sind Supermagnete zusammengesetzt?
Neodym ist ein Metall, das ferromagnetisch ist (genauer gesagt zeigt es antiferromagnetische Eigenschaften), d.h. es kann wie Eisen zu einem Magneten magnetisiert werden, aber seine Curie-Temperatur (die Temperatur, oberhalb der sein Ferromagnetismus verschwindet) beträgt 19 K (-254,2 °C; -425,5 °F), so dass sein Magnetismus in reiner Form nur bei extrem niedrigen Temperaturen auftritt.[13] Verbindungen von Neodym mit Übergangsmetallen wie Eisen können jedoch Curie-Temperaturen haben, die weit über der Raumtemperatur liegen, und diese werden zur Herstellung von Neodym-Magneten verwendet.
Warum sind Supermagnete so stark?
Die Stärke von Neodym-Magneten ist das Ergebnis mehrerer Faktoren. Der wichtigste ist, dass die tetragonale Nd2Fe14B-Kristallstruktur eine außergewöhnlich hohe einachsige magnetokristalline Anisotropie aufweist (HA ≈ 7 T - magnetische Feldstärke H in Einheiten von A/m gegen das magnetische Moment in A-m2).[14][3] Dies bedeutet, dass ein Kristall des Materials bevorzugt entlang einer bestimmten Kristallachse magnetisiert, aber sehr schwer in andere Richtungen zu magnetisieren ist. Wie andere Magnete auch, besteht die Neodym-Magnetlegierung aus mikrokristallinen Körnern, die während der Herstellung in einem starken Magnetfeld ausgerichtet werden, so dass ihre Magnetachsen alle in die gleiche Richtung zeigen. Der Widerstand des Kristallgitters gegen die Drehung seiner Magnetisierungsrichtung verleiht der Verbindung eine sehr hohe Koerzitivfeldstärke oder Widerstand gegen Entmagnetisierung.
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