ما هو العمر الافتراضي لمغناطيس النيوديميوم والحديد والبورون؟

يُعدّ استقرار مواد المغناطيس الدائم مؤشرًا بالغ الأهمية. ويشير الاستقرار أساسًا إلى عملية تغير الخصائص المغناطيسية للمغناطيس تحت تأثير العوامل الداخلية والخارجية بعد عملية التمغنط، ويُعبّر عنه عادةً بمعدل تغير مؤشرات الأداء. تشمل الأسباب الشائعة لتغير الخصائص المغناطيسية درجة الحرارة، والزمن، والمجالات الكهرومغناطيسية، والإشعاع، والاهتزازات الميكانيكية، والصدمات. في هذه المقالة، سنتناول استقرار مواد المغناطيس الدائم مع مرور الوقت.

[صورة] قد يؤدي التشغيل أو وضع المغناطيس لفترات طويلة إلى تغييرات في خصائصه الفيزيائية والكيميائية نتيجةً لعوامل بيئية (مثل درجة الحرارة والرطوبة والسوائل المسببة للتآكل). بعد التمغنط، يتمغنط معظم المغناطيس الدائم في اتجاه محدد، ولكن بعض المجالات المغناطيسية الصغيرة لها اتجاهات تمغنط غير منتظمة (تُسمى النوى المضادة للمغناطيسية). تحت تأثير عوامل بيئية مختلفة، يمكن أن تنمو النوى المضادة للمغناطيسية الموجودة، ويمكن أن تتولد نوى مضادة للمغناطيسية جديدة، مما يتسبب في تدهور الخصائص المغناطيسية للمغناطيس الدائم. هذا التغيير هو عمومًا عملية بطيئة وغير قابلة للعكس تبدأ من السطح إلى الداخل، وتؤثر بشكل مباشر على معايير الأداء الرئيسية للمغناطيس مثل المغناطيسية المتبقية، والإكراه الذاتي، والإكراه، أو أقصى ناتج للطاقة، وقد يؤدي حتى إلى تلف المغناطيس تمامًا. هذا الفقدان للخصائص المغناطيسية غير قابل للعكس؛ حتى لو أُعيد تمغنط المغناطيس، فلن يعود إلى المستوى الذي كان عليه قبل التخزين لفترة طويلة. في السنوات الأخيرة، ومع الانتشار الواسع لتطبيقات مواد المغناطيس الدائم NdFeB في المجالات التي تتطلب عمر خدمة طويل، مثل الفضاء الجوي والمركبات الكهربائية وتوليد طاقة الرياح عالية القدرة، أولى مصممو التطبيقات اهتمامًا متزايدًا بالاستقرار الزمني للمغناطيس الدائم NdFeB.

الاستقرار طويل الأمد في درجة حرارة الغرفة: أظهرت دراسة أجراها باحثون فنلنديون عام 2013 أن مغناطيسات NdFeB المُلبَّدة (HcJ = 15.6 kOe) التي وُضعت في درجة حرارة الغرفة لمدة عام (10000 ساعة) لم تُظهر أي فقدان ملحوظ في المغنطة في عينات ذات قيم Pc مختلفة (Pc = -0.33، -1.1، -3.3). كما أجرى معهد سان هوان للأبحاث دراسة قياس مماثلة استمرت لأكثر من 12 عامًا (4441 يومًا). بلغت قيمة الإكراه الذاتي لمغناطيس NdFeB المُلبَّد المستخدم في التجربة HcJ = 18 kOe. كانت العينة عبارة عن مكعب غير مطلي بطول ضلع 10.2 مم ونفاذية مغناطيسية Pc = -2. تم تعريض 8 عينات مباشرة للبيئة الجوية في المختبر عند درجة حرارة تتراوح بين 22 و28 درجة مئوية. تم إجراء الملاحظات والقياسات مرة واحدة في السنة لمدة 12 عامًا.

تُظهر البيانات أعلاه أن فقدان التدفق النسبي المُقاس في السنوات الست الأولى كان ضئيلاً نسبيًا، مع نقطة انعطاف عند حوالي 2208 يومًا (ما يُقارب 6 سنوات). وبالنظر، تظهر بقع الصدأ على سطح المغناطيس ذي الصفيحة السوداء بعد ست سنوات، مما يُشير إلى بدء الأكسدة والتآكل على السطح وداخل المغناطيس. ومع مرور الوقت، ستتوسع مساحة الأكسدة أو التآكل باستمرار، وسيتسارع معدل تدهور الأداء بشكل ملحوظ. علاوة على ذلك، تُقدّر هذه التجربة فقدان التدفق من 4441 يومًا (12 عامًا وشهرين) المُقاسة حاليًا إلى 30-50 عامًا. ويُقدّر فقدان التدفق على مدى 30 عامًا بأقل من 1%، وعلى مدى 50 عامًا يُقارب 1.3%. ويُعادل فقدان 2% ما يُقارب 150 عامًا. (النقاط المجوفة في الصورة أعلاه)

 

تشير هذه النتيجة إلى أنه إذا تم تعريف عمر المغناطيس على أنه الوقت المقابل لمعدل فقدان التدفق 5%، حتى بدون طلاء مقاوم للتآكل على السطح، فإن مغناطيسات NdFeB المتلبدة التي تم قياسها حتى الآن لا تزال تتمتع بعمر طويل جدًا، يقدر بشكل متحفظ بـ 30-50 عامًا.

عادةً ما ينشأ فقدان التدفق المغناطيسي الكبير من أكسدة أو تآكل سطح المغناطيس، مما يؤدي إلى خسائر لا يمكن إصلاحها. ومن بين مختلف مواد المغناطيس الدائم المصنوعة من العناصر الأرضية النادرة، يُظهر مغناطيس NdFeB المُلبّد أشد هذه الخسائر. ومع ذلك، فقد تحسّنت مقاومة الأكسدة والتآكل لمغناطيس NdFeB المُلبّد بشكل كبير من خلال تحسين التركيب ومعالجات حماية السطح. لذلك، مع توفير الحماية المناسبة للسطح، يمكن أن يتجاوز عمر مغناطيس NdFeB المُلبّد ذي التدفق المغناطيسي العالي (HcJ) بسهولة 30-50 عامًا. (هذا بشرط عدم تجاوز درجة حرارة التشغيل).

الاستقرار طويل الأمد عند درجات الحرارة العالية: يوضح الشكل التالي التغير في فقدان التدفق النسبي بمرور الوقت للمغناطيسات ذات قيم Pc المختلفة و HcJ=20.1 kOe عند 80 درجة مئوية و 120 درجة مئوية و 150 درجة مئوية.

يتضح من الرسم البياني أعلاه أنه عند ثبات قيمة Pc، كلما ارتفعت درجة حرارة تخزين المغناطيس، انخفضت نسبة فقدان التدفق المغناطيسي بشكل أسرع. تُظهر المغناطيسات ذات قيم Pc المطلقة المنخفضة خسائر مغناطيسية أولية وطويلة الأمد أكبر بكثير من تلك ذات قيم Pc الأعلى، ويزداد كلا النوعين من الخسائر بشكل كبير مع ارتفاع درجة الحرارة. ونظرًا لأن القيود التقنية والتكاليفية تحول دون زيادة HcJ، فإن زيادة قيمة Pc المطلقة يمكن أن تحد بشكل فعال من فقدان المغنطة.

تُظهر العلاقة الزمنية بين فقدان المغنطة النسبي وفقدان المغنطة عند درجات الحرارة العالية للمغناطيسات ذات قيم HcJ وPc المختلفة عند درجات حرارة مختلفة، أن HcJ له تأثير كبير على فقدان المغنطة عند درجات الحرارة العالية؛ فارتفاع قيمة HcJ يؤدي إلى انخفاض فقدان المغنطة، كما أن استقرار المغناطيس عند درجات الحرارة العالية يتطلب امتلاكه قيمة عالية لـ HcJ. في الوقت نفسه، تحدد النفاذية المغناطيسية Pc أيضًا فقدان المغنطة طويل الأمد عند درجات الحرارة العالية للمغناطيس.