مقاله 61 : سرامیکهای مغناطیسی

[zeinab68]

تاریچة ظهور مغناطیسهای خاک نادر و ورود چین به بازار (گزارش تاریخچه ای)

مواد مغناطیسی، در صنایع مهمی همچون کامپیوتر و خودرو کاربردهای گسترده دارند و بشر روز به روز به دنبال تولید بیشتر و بهتر این مواد است. استفاده از خاک‌های نادر در این زمینه، رویکردی است که در دنیا مورد توجه بسیار قرار گرفته است. مطلب زیر به بررسی نحوة ظهور مغناطیس‌های خاک نادر و توسعة آنها تا ظهور مغناطیس¬های NdFeB پرداخته است:
پنج رویداد تاریخی تا ظهور مغناطیس‌های خاک نادر 1- اولین رویداد، کشف خواص آهنربایی گادولینیوم توسط یوربین و همکارانش بود که در سال 1935 به ثبت رسید و برای اولین بار مشخص شد خاک‌های نادر دارای خواص مغناطیسی هستند.
2- در پروژة منهاتان در طول جنگ جهانی دوم، رویداد دوم اتفاق افتاد. آن زمان، روش‌هایی برای جداسازی اورانیوم جهت ساخت بمب اتم لازم بود. این روش‌ها استفادة کم‌خطر و شیمیایی از اورانیم را توسعه داد. این موضوع برای خاک‌های نادر نیز اتفاق افتاد و این تکنولوژی توانایی بالایی را اولین بار برای جداسازی خاک‌های نادر فراهم کرد.
3- گزارشی که در سال 1960 توسط هابارد و همکارانش منتشر شد رویداد سوم را رقم¬زد. این گزارش به وجود خواص آنتی‌فرومغناطیس در GdCo5 که با ترکیب کردن Gd و Co به‌وجود آمده بود، اشاره داشت. این موضوع امیدهایی را در مورد وجود خاصیت مغناطیسی در ترکیبات RCo5 (R عنصر خاک نادر) بوجود آورد. البته بعدها هابارد و همکارانش عضویت GdCo5 را در خانوادة RCo5 رد کردند.
4- هنوز سال 1966 نشده بود که هوفر و استرنت در مورد خواص مغناطیسی YCo5 (Y یکی از عناصر خاک نادر) گزارشی را منتشر کردند. این اتفاق سرآغازی برای تحقیق در مورد خواص مغناطیسی RCo5 بود و بدین وسیله محققین دریافتند این موضوع زمینه مناسبی برای تحقیق است.
5- سرانجام ساماریم (Sm) بعنوان خاک نادر ایده‌آل برای استفاده در ترکیبات RCo5 کشف شد. شرکت‌ها و مراکز تحقیقاتی چون جنرال الکتریک، جنرال موتورز، ریتون و دانشگاه‌های دیتون و پترسبورگ در امریکا بر روی این ماده کار می‌کردند. در همان زمان‌که SmCo5 با خواص مغناطیسی عالی، آرام‌آرام در حال تجاری شدن بود، ترکیب PtCo نیز ظهور کرد و حتی در ساعت¬ها نیز بکارگرفته شد، اما بسرعت با تجاری شدن SmCo5 از رده خارج گردید. این اتفاق زمانی به وقوع پیوست که SmCo5 در ارزان‌ترین سطح قیمت و بالاترین حد کورسیویتة قرار داشت.

 

[zeinab68]

پیشرفت‌های پس از ظهور SmCo5 و بروز مشکلات

پیشرفت‌های پس از ظهور SmCo5 و بروز مشکلات



SmCo5 اولین تجربه در بکارگیری خاک¬های نادر در ساخت آهنرباهای تجاری بود. بعد از دهة 1970 این مغناطیس‌ها بهبود نسبتاً کمی در خواص یافتند که مغناطیس‌های (17-2) Sm2(FeCuCoZr)17 حاصل این بهبود بود. این آلیاژ از هر دو جهت ترکیب و فرآیند ساخت پیچیده بود. اما خواص بهتر و مطلوب‌تری نسبت به SmCo5 داشت.
علاوه بر امریکا و اروپا که فعالیت‌هایی در مورد این مواد داشتند حجم زیادی از تحقیقات در ژاپن صورت می‌گرفت که در این زمینه شرکت‌های TDK و شینتسو فعالیت بیشتری داشتند. بعد از دهة 1980 تحقیقات بر روی آهنرباهای دائم فریتی در امریکا کاهش یافت و جایگزینی‌هایی در این زمینه صورت گرفت که از جملة آن بکارگیری مغناطیس (17-2) در هدفون و موتورچرخان واکمن سونی بود.
به علت نیاز به قیمت‌های کمتر از SmCo5، وجود نیازهای مغناطیسی فراتر از قابلیت‌های SmCo5 و نیاز به طراحی جدید برای هر کاربرد خاص، تولید یک مادة جدید که این مشکلات را نداشته باشد، ضروری بنظر می-رسید.
علاوه بر محدودیت‌های که در بالا مطرح شد. کبالت مورد استفاده در این ماده نیز مشکلاتی را برای این مغناطیس بوجود آورد. کبالت حدود 66 درصد در SmCo5 و 50 درصد در مغناطیس‌های (17-2) کاربرد داشت. در دهه‌های 1970 و 1980 چندین بار تولید کبالت قطع شد که علت آن ناآرامی سیاسی در زئیر، بزرگترین منبع تولید کبالت در غرب بود. با توجه به این مسائل، بعید به نظر می‌رسد که SmCo5 بتواند در سطح وسیعی از کاربردها مثل اتومبیل به کار گرفته ‌شود. اگر چه بحث¬هایی در مورد افزایش ساماریم در این ترکیبات وجود داشت ولی این مسأله نیز هرگز تحقق نیافت.

 

[zeinab68]

ظهور NdFeB

ظهور NdFeB


این روند تا آنجا ادامه یافت که جان هریست از شرکت جنرال‌موتورز در سال 1978 پیشنهاد تولید مغناطیسی با خواص SmCo5 که فاقد هر دو عنصر Sm و Co باشد را مطرح نمود. در کنفرانس جاذبه و مواد مغناطیس که در نوامبر سال 1983 در پیتسبورگ برگزار شد، اولین فرمول شناخته شده در مورد NdFeB ارائه شد و در مورد آن بحث گردید. در این کنفرانس مشخص شد که گروه‌های زیادی در مناطق مختلف جهان در این زمینه کار می‌کنند.

مهم‌ترین روش‌های تولید در این زمینه متالورژی پودر و ریخته‌گری چرخشی بود. صرف نظر از روش‌های تولید، نتایج فوق‌العاده بود و پتانسیل‌ها در این زمینه غیرقابل باور به‌نظر می‌رسید. در سال بعد (1984) NdFeB تجارتی جایگزین SmCo5 و مغناطیس‌های (2-17) شد و با سرعت زیادی این جایگزینی انجام گرفت که دلایل آن به شرح زیر است:
1) به دلیل مشابهت روش تولید 5SmCo و NdFeB (متالورژی پودر) این جایگزینی به سرعت در کمپانی‌های تولیدکننده صورت گرفت و این کمپانی¬ها به سرعت به تولید معقولی در این زمینه دست یافتند.
2) در اثر حضور SmCo، پذیرش مغناطیس¬های خاک نادر از طرف بازار به راحتی صورت گرفت که به دلیل آشنایی قبلی مصرف¬کنندگان با مغناطیس‌های خاک نادر بود.
3) انتظار مشتری‌های زیادی برای ظهور ماده‌ای با این خواص، رشد سریع آنرا به دنبال داشت.
رشد بازار NdfeB یکنواخت نیست و به نظر می‌رسد یک جهش سریع و سپس یک توقف دارد. این مسئله بدلیل تغییرات بازار کامپیوتر است. اگر چه کاربردهای دیگری نیز برای این مواد توسعه ‌داده شده است ولی رشد بازار باقیمانده نیز ناهماهنگ است و هنوز تاحد زیادی به بازار کامپیوتر بستگی دارد.

 

[zeinab68]

حضور چین در بازار

حضور چین در بازار


در دهة 1990 چینی‌ها رشد خوبی در حوزة خاک¬های نادر داشتند. محرک ابتدایی منابع خاک نادر در اینرمونگولیا نزدیک پاوتو بود که بزرگترین منبع خاک نادر در جهان است و نسبت خاک رس موجود در آن نسبت به سایر جاها کمتر است. در سال 2001 چین برای 80 درصد از تولید لانتانیدهای(گروهی از عناصر خاک نادر) جهان برنامه‌ریزی کرد. شکل (1)، افزایش منابع تولید خاک‌های نادر را به اندازة 33 درصد بین سال‌های 1994 تا 2001 نشان می‌دهد.
در این دوره سهم امریکا از بازار جهانی از 32 درصد به 6 درصد تنزل کرده است در حالیکه سهم چین از 47 درصد به 82 درصد افزایش یافته است. نفوذ فرآورده‌های چینی باعث نزول قیمت خاک‌های نادر در دهة گذشته شده است. برای مثال فلز نئودیمیوم (Nd یک عنصر خاک نادر) که در سال 1990، 50 دلار برای هر کیلوگرم قیمت داشت، الان زیر 10 دلار برای هر کیلوگرم ارزش دارد. قیمت مغناطیس¬ها نیز در این دوره کاهش پیدا کرده ولی به این شدت نبوده است.
بعد از دهة 1990 توان رقابت چین در تولید مغناطیس¬ها به نحو چشم¬گیری افزایش یافته و امریکا و تمام تولیدکنندگان جهان را تحت تأثیر قرار داده است. وجود منابع خاک نادر، کارگر ارزان و تمایل به تولید انبوه در چین منجر شده که مغناطیس¬های خاک نادر و محصولاتی که مغناطیس¬ها در آنها کاربرد دارند از چین به جهان صادر شود. شکل (2) تفکیک واردات مواد مغناطیسی به امریکا را در ده سال گذشته نشان می¬دهد. در دهة گذشته واردات امریکا 16 درصد افزایش یافته است. سهم چین از واردات امریکا از 7.2 درصد به 34 درصد افزایش یافته و سهم ژاپن از 44 درصد به 32 درصد کاهش یافته است.

 

[zeinab68]

سرامیکهای مغناطیسی چیستند و چه کاربردهایی دارند

سرامیکهای مغناطیسی چیستند و چه کاربردهایی دارند


مواد مغناطیسی از جمله مواد مهندسی بسیار مهمی هستند که کاربردهای مختلفی را به خود اختصاص داده-اند. به طور مثال می¬توان به کاربرد آنها در سیستم¬های الکترونیکی اشاره کرد که هر روزه از آنها استفاده می-کنیم. متن زیر که از خبرنامة انجمن سرامیک ایران (شمارة 10) نقل شده است، به معرفی و کاربرد مواد مغناطیسی پرداخته است:

به طور کلی مواد مغناطیسی به دو دسته سخت¬مغناطیس (نظیر آهنرباهای دائم) و نرم¬مغناطیس (نظیر مواد مغناطیسی با پسماند مغناطیسی کم) تقسیم¬بندی می¬شوند:
1- آهنرباهای دائم سرامیکی مواد مغناطیسی دائم به دسته¬ای از مواد اطلاق می¬شود که خاصیت مغناطیسی خود را پس از حذف میدان مغناطیسی خارجی حفظ می¬کنند و کاربردهای وسیعی را به خود اختصاص داده¬اند. به عنوان مثال می¬توان از کاربرد آنها در یخچال¬ها، موتورهای جریان مستقیم، نگهدارنده¬ها، دستگاه¬های سنجش، بلندگوها و بسیاری موارد دیگر نام برد.
اکثر آهنرباهای دائمی تجارتی، از فریت¬های سخت¬مغناطیس سرامیکی تشکیل شده¬اند که حاوی اکسیدهای مختلفی می¬باشند. البته قیمت مواد اولیه فریت¬های سخت¬مغناطیس، در مقایسه با مواد مورد نیاز برای آهنرباهای فلزی نظیر آلیاژ AlNiCo و یا ترکیبات آلیاژهای کمیاب خاکی، کمتر می¬باشد. همچنین لازم به ذکر است که فریت¬های سخت¬مغناطیس سرامیکی، به لحاظ دارا بودن میدان¬های پسماندزدای (Hc) قوی¬تر در مقایسه با آهنرباهای فلزی نظیرAlNiCo، می¬توانند در ابعاد کوچکتری، بدون اینکه مواجه با خطر میدان¬های آهنربازدا باشند، تهیه شوند.
فریت¬های سخت¬مغناطیس سرامیکی از نوع هگزاگونال، یک بخش از خانواده اکسیدهای کمپلکس با فرمول عمومی MO.6Fe2O3 می¬باشند که MO معرف اکسیدهای: باریم، استرانسیم، سرب و یا ترکیبی از این عناصر می¬باشند. از مواد مهم تجارتی در این گروه می¬توان به فریت¬های باریم با فرمول BaO.6Fe2O3 و فریت استرانسیم با فرمول SrO.6Fe2O3 اشاره کرد.
در این راستا از افزودنی¬های مختلفی نظیر Sio2 یا AL2O3 بمنظور افزایش میدان پسماندزدای (Hc) و کمک زینتر، استفاده می¬گردد. سرامیک¬های مغناطیسی همچنین بر مبنای میزان نظم ریزساختارشان که در پروسه تولید قابل کنترل می¬¬باشد، به دو گروه تقسیم می¬شوند:
نوع اول مگنت¬های آنیزوتروپ¬ (جهت¬دار)، که دارای یک محور ترجیهی مغناطیسی می¬باشند و نوع دوم مگنت¬های ایزوتروپ (غیرجهت¬دار)، که دارای یک بافت ریزساختاری جهت¬دار نمی¬باشند و خواص مشابهی را در جهات مختلف از خود نشان می¬دهند. همچنین در مگنت¬های جهت¬دار آنیزوتروپ بخاطر وجود یک محور یکسان، انرژی مغناطیسی ماکزیمم می¬باشد.
کاربرد مواد مغناطیسی دائم بر پایة عملکرد ویژه مغناطیسی¬شان می¬باشد و در سیستم¬های فضانوردی، کامپیوتر، الکترونیک، پزشکی، صنعت خودروسازی، صنایع نظامی، وسایل انتقال اطلاعات و غیره مشاهده می-شوند. در واقع فریت¬های سخت مغناطیس سرامیکی در بسیاری از موارد مورد استفاده قرار می¬گیرند: از اسباب-بازی¬های ساده و قفل¬های کابینت گرفته تا موتورهای الکتریکی DC.
آهنرباهای بزرگ در سپراتورهای مغناطیسی برای تغلیظ مینرال¬ها و *****های آبی و آهنرباهای کوچک در صفحات نمایشگر اطلاعات مورد استفاده قرار می¬گیرند. در صنعت، آهنرباهای دائم سرامیکی به چندین گروه تقسیم می-شوند: سرامیک¬های مغناطیسی مشهور به گروه 1، از مواد ارزان قیمت ساخته می¬شوند و کاربرد¬¬هایی نظیر: قفل¬های ساده، کوپل¬های مغناطیسی هم¬محور برای کنتور¬های آب و یاتاقان¬های بدون اصطکاک در کنتورهای برق را به خود اختصاص داده¬اند.
سرامیک¬های مغناطیسی مشهور به گروه 2، در موتورهای DC مورد استفاده در خودروها، موتورهای پله¬ای (Stepper Motors) و کوپل¬های مغناطیسی هم¬محور مورد استفاده قرار می¬گیرند.
سرامیک¬های مغناطیسی مشهور به گروه 5، بصورت آهنرباهای حلقه¬ای شکل در بلندگوها و جداکنندهای مغناطیسی و دیسک¬های مورد استفاده در کوپل¬های مغناطیسی، مورد مصرف قرار می¬گیرند.
سرامیک¬های مغناطیسی مشهور به گروه 7 و 8، در موتورهای DC، موتورهای Brushiess DC و ژنراتورها و محرک-های القایی خطی استفاده می¬شوند.
2- فریت¬های نرم¬مغناطیس مواد نرم¬مغناطیس بطور کلی با اعمال میدان¬های ضعیف مغناطیسی، خاصیت مغناطیسی از خود نشان می¬د¬هند. وقتی نیروی اعمالی حذف می¬شود، خاصیت مغناطیسی باقیمانده در آن¬ها تضعیف می¬گردد. اهمیت نرم¬مغناطیس¬ها در بسیاری از سیستم¬های الکتریکی و الکترونیکی مشهود است.
مواد نرم¬مغناطیس در سیستم¬های توزیع نیرو، تغییر انرژی الکتریکی به مکانیکی و ارتباطات مایکروویو مورد استفاده قرار می¬گیرند. آنها همچنین به عنوان مبدل¬های الکتریکی و مواد فعال جهت ذخیره¬سازی اطلاعات در بسیاری از سیستم¬های اطلاع¬رسانی عمل می¬کنند. بسیاری از کاربردهای جدید آنها در اثر بهبود خواص و ویژگی¬های این مواد بوده است.
مواد اولیة فریت¬های نرم¬مغناطیس، اکسیدهای سرامیکی هموژنی هستند که اکسید آهن به عنوان جزء اصلی آنها می¬باشد. فریت¬ها می¬توانند ساختار¬های کریستالی متفاوتی را دارا باشند.
بطور کلی 3 ساختار کریستالی برای فریت¬های تجاری امروزی شناخته شده است:
اولین کلاس دارای ساختار مگنتوپلامبایت هگزاگونالی است (مثل: BaFe12O19).
دومین کلاس دارای ساختار گارنت می¬باشد که به گارنت مغناطیسی یا فریت¬های مایکروویو نیز شهرت دارد. فرمول عمومی این گروه بصورت 3M2O3.5FeO3 یا M3Fe5O12 می¬باشد. یون¬های فلزی در این ترکیب، در مقایسه با دو کلاس دیگر سه ظرفیتی هستند. در گارنت¬های مغناطیسیM، معمولاً ایتریم (Y)+3 یا یکی از یون-های کمیاب خاکی¬ها نظیر Gd+3 بصورت (Gd3Fe5O12) می¬باشد.
سومین کلاس دارای ساختار اسپینلی می¬باشد. در اینجا، اکسیدهای آهن یا فلزاتی نظیر: نیکل، منگنز، روی، منیزیم و کبالت بصورت منفرد یا ترکیبی وجود دارند. کلاس اسپینلی نام خود را از مینرال غیر مغناطیسی MgAl2o4 یا MgAl2o3 گرفته است و دارای ساختار مکعبی پیچیده¬ای می¬باشد. در اسپینل¬های مغناطیسی، یون دوظرفیتی Mg2+ می¬تواند توسط Cu2+، Co2+، Fe2+، Zn2+، Li2+، Mn2+، Ni2+، و یا در بیشتر مواقع با ترکیبی از این یون¬ها جایگزین گردد. یون Al3+ نیز می¬تواند جانشین Fe3+ گردد.
اسپینل¬های مغناطیسی دارای فرمول عمومی MFe2O4 یا MO.Fe2O3 می¬باشند.
نرم¬مغناطیس¬ها همچنین بر اساس محدوده فرکانسی نیز تقسیم بندی می¬شوند:
فریت¬های غیر مایکروویو برای فرکانس¬هایی از محدوده شنوایی تا 500MHz
فریت¬های مایکروویو برای فرکانس¬هایی در محدوده 100MHz-500GHz
فریت¬های غیر مایکروویو خود به دو بخش زیر تقسیم می¬شوند:
فریت¬ها با حلقه هیستریزیس مستطیلی شکل برای حافظه¬های کامپیوتری
فریت¬های خطی(مرکب از فریت¬های منگنز- روی و نیکل- روی) برای مبدل¬ها و سلف¬ها در *****ها
فریت¬های مایکروویو، فراهم کننده یک محیط غیرفعال با تلفات کم می¬باشند که اجازه انتشار امواج را با تلفات ناچیز فراهم می¬کنند. در حقیقت با توجه به اینکه امواج الکترومغناطیس از دو مولفه الکتریکی و مغناطیسی تشکیل شده¬اند، با برهم¬کنش مولفه مغناطیسی موج با ممان¬های مغناطیسی ماده و مولفه الکتریکی موج با مولفه دی الکتریکی فریت، رفتار موج الکترومغناطیس تحت تأثیر پارامترهایی نظیر قابلیت نفوذ مغناطیسی، قابلیت نفوذ دی-الکتریکی و آهنربایش ماده قرار می¬گیرد. با به کار بردن یک میدان مغناطیسی DC خارجی، واکنشی بین سینگال مایکروویو و محیط انتشار موج(فریت) صورت می¬پذیرد که امکان کنترل آن را فراهم می¬سازد.
بیش از 100 نوع ترکیبات فریتی به عنوان فریت¬های مایکروویو برای تولید تجهیزات مخابراتی معرفی شده¬اند. مواد فریتی نرم¬مغناطیس در وسایلی نظیر: مبدل¬ها، موتورها، ژنراتورها، سولونوئیدها، رله¬هایDC و حفاظ¬های مغناطیسی بکار برده می¬شوند. با وجود مقاومت الکتریکی بالا و خواص مغناطیسی خوب، از این فریت¬ها به عنوان یک هسته عالی برای *****¬ها در محدوده فرکانسی 50 - 450KHz استفاده می¬شود.
با گسترش صنعت تولید تلویزیون در سال 1950، اهمیت صنایع تولید فریت¬ها بیشتر نمود پیدا کرد. هسته¬های فریتی در سیستم تقارب اشعه الکترونیکی لامپ تصویر تلویزیون و ترانس¬¬های¬ ولتاژ، مورد استفاده قرار گرفتند. همچنین از فریت¬های نرم در منابع تغذیه از نوع (Switch Mode) که کاربردهای وسیعی، در کامپیوتر و مخابرات دارد، استفاده می¬گردد.
در سال 1970 هسته¬های فریتی بطور گسترده¬ای برای *****¬ها در وسایل مربوط به سیستم¬های مخابراتی مورد استفاده قرار گرفتند. در سال 1980 از هسته¬های فریتی در منابع تغذیه فرکانس بالا استفاده گردید. اکثر فریت-های اسپینلی رایج، یکی از انواع فریت¬های منگنز-روی و نیکل– روی می¬باشند که در ترانسفورماتورها، سلف¬ها و هدهای ضبط صوت یا ویدئو به کار می¬روند.
عملکرد فریت منگنز- روی ترجیحاً برای فرکانس¬هایی تا 1MHz می¬باشد. بقیه فریت¬های اسپینیلی نظیر منیزیم- منگنز، نیکل- روی و فریت¬های لیتیمی در تجهیزات مایکروویو، مورد استفاده قرار می¬گیرند. بقیه کاربردهای مربوط به فریت¬های نرم¬مغناطیس شامل هسته¬های حافظه، سنسورهای دمایی، اجزاء موتورهای الکتریکی، هسته¬های ترانسفورماتورها و حذف¬کنندهای نویز الکتریکی می¬باشند.
از میان فریت¬هایی که به آنها در این مقوله اشاره شده است، فریت¬های هگزاگونالی خواص ویژه¬ای دارند که آنها را برای استفاده در فرکانس¬های بالا (>100MHz) مناسب کرده است.
فریت¬های نیکل- روی برای فرکانس¬های بالاتر از فرکانس کاربردی فریت¬های منگنز- روی ترجیح داده می¬شوند، زیرا دارای هدایت الکتریکی پائین¬تری می¬باشند. از فریت¬ها معمولاً به عنوان آنتن¬های گیرنده در رادیو¬ها استفاده می-شود و به جرأت می¬توان گفت تقریباً تمام گیرنده¬های رادیویی AM از این آنتن¬ها استفاده می¬کنند.
نکته قابل ذکر دیگر اینکه، شکل هسته¬های فریتی با توجه به خواص مکانیکی و مغناطیسی ویژه طراحی می-شود. به عنوان مثال اشکال مختلفی از هسته برای سلف¬های دارای ضریب کیفیت بالا (Q-Factor) و اتلاف پایین مورد نیاز می¬باشد.
توسعه بازار مربوط به فریت¬های مایکروویو، وابسته به توسعه سیستم¬ها و تجهیزات مخابراتی و نظامی نظیر رادار و غیره می¬باشد. فریت¬های مایکروویو نظیر گارنت ایتریم-آهن به عنوان هدایت¬کننده¬های امواج برای انتشار امواج الکترومغناطیس و جابجاکنندهای فازی (Phase Shiftr) استفاده می¬شوند.