La història dels imants permanents de terres rares per a motors

Elements de terres rares (imants permanents de terres rares) són 17 elements metàl·lics al centre de la taula periòdica (números atòmics 21, 39 i 57-71) que tenen propietats fluorescents, conductores i magnètiques inusuals que els fan incompatibles amb metalls més comuns com el ferro) és molt útil quan aliats o barrejats en petites quantitats. Geològicament parlant, els elements de terres rares no són especialment rars. Els dipòsits d'aquests metalls es troben a moltes parts del món, i alguns elements estan presents aproximadament en la mateixa quantitat que el coure o l'estany. Tanmateix, mai s'han trobat elements de terres rares en concentracions molt elevades i sovint es barregen entre ells o amb elements radioactius com l'urani. Les propietats químiques dels elements de terres rares dificulten la separació dels materials circumdants, i aquestes propietats també fan que siguin difícils de purificar. Els mètodes de producció actuals requereixen grans quantitats de mineral i generen grans quantitats de residus perillosos per extreure només petites quantitats de metalls de terres rares, amb residus de mètodes de processament com aigua radioactiva, fluor tòxic i àcids.

Els primers imants permanents descoberts eren minerals que proporcionaven un camp magnètic estable. Fins a principis del segle XIX, els imants eren fràgils, inestables i d'acer al carboni. El 1917, el Japó va descobrir l'acer d'imant de cobalt, que va fer millores. El rendiment dels imants permanents ha continuat millorant des del seu descobriment. Per als Alnicos (aliatges Al/Ni/Co) a la dècada de 1930, aquesta evolució es va manifestar en el nombre màxim de producte energètic augmentat (BH)max, que va millorar molt el factor de qualitat dels imants permanents, i per a un volum determinat d'imants, el la màxima densitat d'energia es podria convertir en potència que es pot utilitzar en màquines amb imants.

El primer imant de ferrita va ser descobert accidentalment l'any 1950 al laboratori de física de Philips Industrial Research als Països Baixos. Un assistent el va sintetitzar per error: se suposa que havia de preparar una altra mostra per estudiar-la com a material semiconductor. Es va trobar que en realitat era magnètic, de manera que es va passar a l'equip d'investigació magnètica. A causa del seu bon rendiment com a imant i menor cost de producció. Com a tal, va ser un producte desenvolupat per Philips que va marcar l'inici d'un ràpid augment en l'ús d'imants permanents.

A la dècada de 1960, els primers imants de terres rares(imants permanents de terres rares)es van fer amb aliatges de l'element lantànid, l'itri. Són els imants permanents més forts amb magnetització d'alta saturació i bona resistència a la desmagnetització. Tot i que són cars, fràgils i ineficients a altes temperatures, comencen a dominar el mercat a mesura que les seves aplicacions es fan més rellevants. La propietat d'ordinadors personals es va estendre a la dècada de 1980, la qual cosa va suposar una gran demanda d'imants permanents per a discs durs.

Els aliatges com el samari-cobalt es van desenvolupar a mitjans dels anys 60 amb la primera generació de metalls de transició i terres rares, i a finals dels 70, el preu del cobalt va augmentar molt a causa de la inestable oferta al Congo. En aquell moment, els imants permanents de samari-cobalt (BH)max més alts eren els més alts i la comunitat investigadora va haver de substituir aquests imants. Uns anys més tard, el 1984, el desenvolupament d'imants permanents basats en Nd-Fe-B va ser proposat per primera vegada per Sagawa et al. Utilitzant la tecnologia de la metal·lúrgia de pols a Sumitomo Special Metals, utilitzant el procés de filatura en fosa de General Motors. Com es mostra a la figura següent, (BH)max ha millorat durant gairebé un segle, començant a ≈1 MGOe per a l'acer i arribant a uns 56 MGOe per als imants NdFeB durant els últims 20 anys.

La sostenibilitat en els processos industrials s'ha convertit recentment en una prioritat, i els elements de terres rares, que han estat reconeguts pels països com a matèries primeres clau pel seu alt risc de subministrament i importància econòmica, han obert àrees per a la investigació de nous imants permanents lliures de terres rares. Una possible direcció de recerca és mirar enrere els imants permanents desenvolupats més antics, els imants de ferrita, i estudiar-los més amb totes les eines i mètodes nous disponibles en les últimes dècades. Diverses organitzacions estan treballant ara en nous projectes de recerca que esperen substituir els imants de terres rares per alternatives més ecològiques i eficients.