A história dos ímãs permanentes de terras raras para motores

Elementos de terras raras (ímãs permanentes de terras raras) são 17 elementos metálicos no meio da tabela periódica (números atômicos 21, 39 e 57-71) que possuem propriedades fluorescentes, condutivas e magnéticas incomuns que os tornam incompatíveis com metais mais comuns, como o ferro) é muito útil quando ligados ou misturados em pequenas quantidades. Geologicamente falando, elementos de terras raras não são particularmente raros. Depósitos desses metais são encontrados em muitas partes do mundo, e alguns elementos estão presentes em aproximadamente a mesma quantidade que cobre ou estanho. No entanto, os elementos de terras raras nunca foram encontrados em concentrações muito altas e são frequentemente misturados entre si ou com elementos radioativos como o urânio. As propriedades químicas dos elementos de terras raras dificultam a separação dos materiais circundantes, e essas propriedades também dificultam a purificação. Os métodos de produção atuais requerem grandes quantidades de minério e geram grandes quantidades de resíduos perigosos para extrair apenas pequenas quantidades de metais de terras raras, com resíduos de métodos de processamento, incluindo água radioativa, flúor tóxico e ácidos.

Os primeiros ímãs permanentes descobertos eram minerais que forneciam um campo magnético estável. Até o início do século 19, os ímãs eram frágeis, instáveis ​​e feitos de aço carbono. Em 1917, o Japão descobriu o aço magnético de cobalto, que fez melhorias. O desempenho dos ímãs permanentes continuou a melhorar desde sua descoberta. Para Alnicos (ligas de Al/Ni/Co) na década de 1930, essa evolução se manifestou no número máximo de aumento do produto energético (BH)max, que melhorou muito o fator de qualidade dos ímãs permanentes e, para um determinado volume de ímãs, o a densidade máxima de energia pode ser convertida em potência que pode ser usada em máquinas que usam ímãs.

O primeiro ímã de ferrite foi descoberto acidentalmente em 1950 no laboratório de física pertencente à Philips Industrial Research na Holanda. Um assistente o sintetizou por engano - ele deveria preparar outra amostra para estudar como material semicondutor. Verificou-se que era realmente magnético, então foi repassado para a equipe de pesquisa magnética. Devido ao seu bom desempenho como imã e menor custo de produção. Como tal, foi um produto desenvolvido pela Philips que marcou o início de um rápido aumento no uso de ímãs permanentes.

Na década de 1960, os primeiros ímãs de terras raras(ímãs permanentes de terras raras)foram feitos de ligas do elemento lantanídeo, ítrio. Eles são os ímãs permanentes mais fortes com magnetização de alta saturação e boa resistência à desmagnetização. Embora sejam caros, frágeis e ineficientes em altas temperaturas, eles começam a dominar o mercado à medida que suas aplicações se tornam mais relevantes. A propriedade de computadores pessoais se generalizou na década de 1980, o que significou uma alta demanda por ímãs permanentes para discos rígidos.

Ligas como samário-cobalto foram desenvolvidas em meados da década de 1960 com a primeira geração de metais de transição e terras raras e, no final da década de 1970, o preço do cobalto aumentou drasticamente devido à instabilidade no fornecimento no Congo. Naquela época, os ímãs permanentes de samário-cobalto (BH)max mais altos eram os mais altos e a comunidade de pesquisa teve que substituir esses ímãs. Alguns anos depois, em 1984, o desenvolvimento de ímãs permanentes baseados em Nd-Fe-B foi proposto pela primeira vez por Sagawa et al. Utilizando a tecnologia de metalurgia do pó na Sumitomo Special Metals, utilizando o processo de fiação por fusão da General Motors. Conforme mostrado na figura abaixo, (BH)max melhorou ao longo de quase um século, começando em ≈1 MGOe para aço e atingindo cerca de 56 MGOe para ímãs NdFeB nos últimos 20 anos.

A sustentabilidade nos processos industriais tornou-se recentemente uma prioridade, e os elementos de terras raras, que foram reconhecidos pelos países como matérias-primas importantes devido ao seu alto risco de abastecimento e importância econômica, abriram áreas para pesquisa de novos ímãs permanentes livres de terras raras. Uma possível direção de pesquisa é olhar para os primeiros ímãs permanentes desenvolvidos, ímãs de ferrite, e estudá-los ainda mais usando todas as novas ferramentas e métodos disponíveis nas últimas décadas. Várias organizações estão agora trabalhando em novos projetos de pesquisa que esperam substituir os ímãs de terras raras por alternativas mais ecológicas e eficientes.