La historia de los imanes permanentes de tierras raras para motores

Extraños elementos de la Tierra(imanes permanentes de tierras raras) son 17 elementos metálicos en el medio de la tabla periódica (números atómicos 21, 39 y 57-71) que tienen propiedades fluorescentes, conductoras y magnéticas inusuales que los hacen incompatibles con metales más comunes como el hierro) es muy útil cuando aleado o mezclado en pequeñas cantidades. Geológicamente hablando, los elementos de tierras raras no son particularmente raros. Los depósitos de estos metales se encuentran en muchas partes del mundo, y algunos elementos están presentes en aproximadamente la misma cantidad que el cobre o el estaño. Sin embargo, nunca se han encontrado elementos de tierras raras en concentraciones muy altas y, a menudo, se mezclan entre sí o con elementos radiactivos como el uranio. Las propiedades químicas de los elementos de tierras raras dificultan su separación de los materiales circundantes, y estas propiedades también hacen que sean difíciles de purificar. Los métodos de producción actuales requieren grandes cantidades de mineral y generan grandes cantidades de desechos peligrosos para extraer solo pequeñas cantidades de metales de tierras raras, con desechos de métodos de procesamiento que incluyen agua radiactiva, flúor tóxico y ácidos.

Los primeros imanes permanentes descubiertos fueron minerales que proporcionaban un campo magnético estable. Hasta principios del siglo XIX, los imanes eran frágiles, inestables y estaban hechos de acero al carbono. En 1917, Japón descubrió el acero magnético de cobalto, que hizo mejoras. El rendimiento de los imanes permanentes ha seguido mejorando desde su descubrimiento. Para Alnicos (aleaciones de Al/Ni/Co) en la década de 1930, esta evolución se manifestó en el número máximo de producto de energía incrementado (BH)max, lo que mejoró en gran medida el factor de calidad de los imanes permanentes, y para un volumen dado de imanes, el la densidad de energía máxima podría convertirse en energía que se puede usar en máquinas que usan imanes.

El primer imán de ferrita se descubrió accidentalmente en 1950 en el laboratorio de física perteneciente a Philips Industrial Research en los Países Bajos. Un asistente lo sintetizó por error: se suponía que debía preparar otra muestra para estudiarla como material semiconductor. Se descubrió que en realidad era magnético, por lo que se pasó al equipo de investigación magnética. Por su buen comportamiento como imán y menor coste de producción. Como tal, fue un producto desarrollado por Philips que marcó el comienzo de un rápido aumento en el uso de imanes permanentes.

En la década de 1960, los primeros imanes de tierras raras(imanes permanentes de tierras raras)estaban hechos de aleaciones del elemento lantánido, itrio. Son los imanes permanentes más fuertes con magnetización de alta saturación y buena resistencia a la desmagnetización. Aunque son caros, frágiles e ineficientes a altas temperaturas, están comenzando a dominar el mercado a medida que sus aplicaciones se vuelven más relevantes. La propiedad de computadoras personales se generalizó en la década de 1980, lo que significó una gran demanda de imanes permanentes para discos duros.

Las aleaciones como el samario-cobalto se desarrollaron a mediados de la década de 1960 con la primera generación de metales de transición y tierras raras y, a fines de la década de 1970, el precio del cobalto aumentó considerablemente debido a la inestabilidad del suministro en el Congo. En ese momento, los imanes permanentes de samario-cobalto (BH)max más altos eran los más altos y la comunidad de investigación tuvo que reemplazar estos imanes. Unos años más tarde, en 1984, Sagawa et al. propusieron por primera vez el desarrollo de imanes permanentes basados ​​en Nd-Fe-B. Usando tecnología de pulvimetalurgia en Sumitomo Special Metals, usando el proceso de hilado por fusión de General Motors. Como se muestra en la figura a continuación, (BH)max ha mejorado durante casi un siglo, comenzando en ≈1 MGOe para el acero y alcanzando alrededor de 56 MGOe para los imanes de NdFeB en los últimos 20 años.

La sostenibilidad en los procesos industriales se ha convertido recientemente en una prioridad, y las tierras raras, que han sido reconocidas por los países como materias primas clave debido a su alto riesgo de suministro e importancia económica, han abierto áreas para la investigación de nuevos imanes permanentes libres de tierras raras. Una posible dirección de investigación es mirar hacia atrás a los primeros imanes permanentes desarrollados, imanes de ferrita, y estudiarlos más a fondo utilizando todas las nuevas herramientas y métodos disponibles en las últimas décadas. Varias organizaciones ahora están trabajando en nuevos proyectos de investigación que esperan reemplazar los imanes de tierras raras con alternativas más ecológicas y eficientes.