Кіріспе
Сирек кездесетін жер элементтерінің қорытпаларынан жасалған күшті тұрақты магнит. Сирек кездесетін жер магниті – сирек кездесетін жер элементтерінің қорытпаларынан жасалған күшті тұрақты магнит. 1970 және 1980 жылдары жасалған сирек кездесетін жер магниттері, феррит немесе алнико магниттері сияқты басқа түрлерге қарағанда әлдеқайда күшті магниттік өрістер тудыратын, жасалған тұрақты магниттердің ең күшті түрі болып табылады. Сирек кездесетін жер магниттері әдетте 1,2 тесладан жоғары магниттік өріс тудырады, ал феррит немесе керамикалық магниттерде бұл көрсеткіш әдетте 0,5-тен 1 теслаға дейін жетеді. Олардың екі түрі бар: неодим магниттері және самарий-кобальт магниттері. Сирек кездесетін жер магниттері өте нағыз және коррозияға бейім, сондықтан оларды сынудан, қабыршақтанудан немесе ұнтаққа айналудан қорғау үшін әдетте жабылатын немесе қаптамаланатын болады. Сирек кездесетін жер магниттерін әзірлеу 1966 жылы АҚШ Әуе күштері Материалдар зертханасының К.Дж.Стрнат және Г.Хоффер қызметкерлері иттрий мен кобальт қорытпасы YCo5 ең үлкен магниттік анизотропия тұрақтысына ие екенін анықтаған кезде басталды. "Сирек кездесетін жер" термині шатастыруға болады, себебі осы металдардың кейбіреулері жер қыртысында қалайы немесе қорғасын сияқты көп мөлшерде кездесуі мүмкін, бірақ сирек кездесетін кендер тігіздерде (көмір немесе мыс сияқты) табылмайды, сондықтан кез келген кубикалық километр қабықта олар "сирек" саналады. Қазіргі уақытта негізгі көзі – Қытай. Кейбір елдер сирек кездесетін металдарды стратегиялық маңызды деп санайды, ал Қытайдың осы материалдарға экспорттық шектеулері басқа елдерді, соның ішінде АҚШ-ты, сирек кездесетін металдарды қажет етпейтін күшті магниттерді әзірлеу үшін зерттеу бағдарламаларын бастауға итермеледі.
A rare earth magnet is a strong permanent magnet made from alloys of rare earth elements. Developed in the 1970s and 1980s, rare earth magnets are the strongest type of permanent magnets made, producing significantly stronger magnetic fields than other types such as ferrite or alnico magnets. The magnetic field typically produced by rare earth magnets can exceed 1.2 teslas, whereas ferrite or ceramic magnets typically exhibit fields of 0.5 to 1 tesla. There are two types: neodymium magnets and samarium–cobalt magnets. Rare earth magnets are extremely brittle and also vulnerable to corrosion, so they are usually plated or coated to protect them from breaking, chipping, or crumbling into powder. The development of rare earth magnets began around 1966, when K. J. Strnat and G. Hoffer of the US Air Force Materials Laboratory discovered that an alloy of yttrium and cobalt, YCo5, had by far the largest magnetic anisotropy constant of any material then known. The term "rare earth" can be misleading, as some of these metals can be as abundant in the Earth's crust as tin or lead, but rare earth ores do not exist in seams (like coal or copper), so in any given cubic kilometre of crust they are "rare". The major source is currently China. Some countries classify rare earth metals as strategically important, and Chinese export restrictions on these materials have led other countries, including the United States, to initiate research programs to develop strong magnets that do not require rare earth metals.
Самарий-кобальт
Самарий-кобальт магниттері (химиялық формуласы: SmCo5) – сирек жер металдары магниттерінің алғашқы отбасы болып табылады. Олар неодим магниттеріне қарағанда кем қолданылады, себебі олардың бағасы жоғары және магниттік өріс күші төмен. Дегенмен, самарий-кобальттың Кюри температурасы жоғары болғандықтан, жоғары температурада күшті магниттік өріс қажет болатын қолдану салаларында оларға деген сұраныс бар. Олар тотығуға өте төзімді, бірақ ұнтақталған самарий-кобальт магниттері нашар, сынығыш, қабыршақтануға және жарылуға бейім, сондай-ақ термиялық соққыға ұшырағанда сынуы мүмкін.
Неодим
Неодим магниттері 1980-ші жылдары ойлап табылды, және олар сирек кездесетін жер магниттерінің ең күштісі және ең қолжетімді түрі болып табылады. Олар неодим, темір және бор қорытпасынан (Nd2Fe14B) жасалады, кейде NIB деп қысқартылады. Неодим магниттері күшті, ықшам тұрақты магниттерді қажет ететін көптеген қолданыстарда қолданылады, мысалы, сымсыз құралдарға арналған электр моторлары, қатты дискілер, магниттік ұстағыштар және әшекейлердегі құлыптар. Олардың магнит өрісінің күші ең жоғары, сондай-ақ коэрцитивтілігі жоғары (ол оларды магниттік тұрақты етеді), бірақ олардың Кюри температурасы төмен және самарий-кобальт магниттеріне қарағанда тотығуға бейім. Тотығу қорғалмаған магниттердің беткі қабатының қабыршақтануына немесе ұнтаққа айналуына әкелуі мүмкін. Алтын, никель, мырыш және қалайымен жабу сияқты қорғаушы беттік өңдеулер мен эпоксидтік шайырмен қаптау тотығудан қорғауды қамтамасыз етеді; неодим магниттерінің көпшілігі берік қорғау үшін никельмен жабылады. Бастапқыда осы магниттердің жоғары құны оларды ықшамдық пен жоғары өріс күші қажетті қолданыстармен шектеді. Шикізаттар мен патенттік лицензиялар да қымбат болды. Алайда, 1990 жылдан бері NIB магниттері тұрақты түрде арзандады, ал олардың төмен құны магниттік құрылыс ойыншықтары сияқты жаңа қолданыстарға жол ашты.
Қауіптер мен заңнама
Сирек кездесетін жер магниттерінің күші басқа магниттерде көрінбейтін қауіптер тудырады. Несколько сантиметрден үлкен магниттер екі магниттің немесе магнит пен металл беттің арасында қысылып қалған дене мүшелеріне жарақат келтіруге, тіпті сүйектерді сындыруға жеткілікті күшті. Магниттер бір-біріне тым жақын келсе, олар бір-біріне күшпен соғылып, осы материалдың сынығын шығарып, ұшқын шашады, ал осы сынықтар жарақаттарға себеп болуы мүмкін. 2005 жылдан бастап, ойыншықтардан немесе магниттік құрылыс жинақтарынан үзіліп шыққан қуатты магниттер жарақаттану мен өлімге әкеліп соқты. Неодим магнит шарлары сияқты кішкентай магниттерді жұту хирургиялық араласуды қажет ететін ішек зақымдануына әкелуі мүмкін. Магниттер асқазан мен ішек қабырғалары арқылы бір-бірін тартады, нәтижесінде ішекте тесіктер пайда болады. АҚШ-тың Ауруларды бақылау орталығы 2010 жылға дейін 33 жағдайды тіркеді, онда операция жасалды және бір адам қайтыс болды. Магниттерді нәрестелер де, жасөспірімдер де жұтты (олар магниттерді тіл тесігі салғандай көріну үшін пайдаланды).
Солтүстік Америка
2007 жылы ойыншықтарға арналған ерікті стандарт қабылданды, ол жұтуды болдырмау үшін күшті магниттерді тұрақты түрде біріктіреді және қосылмаған магниттердің күшін шектейді. Ереже күшін жойғаннан кейін елде жұтылып кеткен жағдайлардың саны күрт өсті және 2019 жылы 1500-ден асып кеткені болжанып отыр, бұл CPSC-ге 14 жасқа дейінгі балаларға магниттерді пайдалануға кеңес беруге әкелді. 2009 жылы американдық Maxfield & Oberton компаниясы, Buckyballs өндірушісі, шар магниттерін қайта қаптамалап, оларды ойыншықтар ретінде сатуға шешім қабылдады. Buckyballs 2009 жылы Нью-Йорктегі Халықаралық сыйлық жәрмеңкесінде таныстырылды және АҚШ Тұтынушы өнімдерінің қауіпсіздігі комиссиясы 13+ деп белгіленген қаптамаға кері қайтару бұйрығы бергенге дейін жүздеген мың дана сатылды. CPSC мәліметтері бойынша, 175 000 дана халыққа сатылды, ал кері қайтарылғандардың саны 50-ден аспады. "Барлық балалардан алыс ұстаңыз" деген жазуы бар Buckyballs кері қайтарылмады. Кейіннен Maxfield & Oberton "ойыншық" деген сөздің барлық нұсқаларын "үстелге қоятын ойыншыққа" өзгертіп, өнімді ересектерге арналған стрессті басу құралы ретінде көрсетті және балалар өнімдерін негізгі түрде сататын дүкендерден сатуды шектеді. АҚШ-та 2009 және 2013 жылдар аралығында "доп тәрізді" немесе "жоғары қуатты" магниттерге байланысты немесе екеуіне байланысты 2900-ге жуық шұғыл медициналық көмекке жүгіну болды, нәтижесінде АҚШ Тұтынушы өнімдерінің қауіпсіздігі комиссиясы (CPSC) олардың сатылуын шектеу үшін ережелерді жасауға кірісті. 2012 жылы жарияланған CPSC-нің қосымша зерттеуі 2009 жылдан бері кішкентай балалар мен жасөспірімдер арасында магниттерді жұту оқиғаларының көбейгенін көрсетті. Ересек балалар мен жасөспірімдерге қатысты оқиғалар көбінесе қасақана болмады және олар магниттерді тіл пірсингі сияқты дене мүшелеріне бекіту үшін пайдаланған. Комиссия дене ішіндегі тіндерге бірнеше магнит жабысқан жағдайда жасырын асқынулар туындауы мүмкін екенін атап өтті. 2012 жылы Buckyballs және АҚШ-та ойыншықтар ретінде сатылатын ұқсас өнімдерге тағы бір кері қайтару бұйрығы берілді. Басқа да ұқсас американдық компанияларға қарсы кері қайтару және әкімшілік шағымдар да келіп түсті. Maxfield & Oberton кері қайтарудан бас тартып, үстелге қоятын ойыншықтарын сатуды жалғастырды. Компания CPSC-ке қарсы саяси науқан бастады, ал компанияның негізін қалаушысы Крейг Цукер FOX News телеарнасында қауіпсіздік комиссиясымен пікір алмасты. 2012 жылдың маусым айында АҚШ сенаторы Кирстен Гиллибрандтың АҚШ Тұтынушы өнімдерінің қауіпсіздігі комиссиясының төрағасы Инес Тененбаумға жолдаған хатына байланысты АҚШ Тұтынушы өнімдерінің қауіпсіздігі комиссиясы Buckyballs және Zen Magnets сатылуын тоқтатуға бағытталған әкімшілік шағымдарды жолдады. Zen Magnets LLC бұрын ешқандай жарақат тіркелмеген компанияға осындай шағым түскен алғашқы жағдай болды. 2012 жылдың қарашасында Buckyballs CPSC-нің сот процесіне байланысты өндірісті тоқтатқанын хабарлады. 2016 жылдың наурыз айында Zen Magnets (неодим магнит шарларын өндіруші) 2014 жылғы шарлы магниттердегі "кемшікті" ескерту таңбаларының қаупіне қатысты сот отырысында маңызды жеңіске жетті. DC соты (CPSC No: 12 2) "Zen Magnets және Neoballs-ты дұрыс пайдалану ешқандай қауіп тудырмайды" деп шешті. 2017 жылдың қаңтарынан бастап Zen Magnets-ті қоса алғанда, көптеген магнит шарларының брендтері Zen Magnets-тің АҚШ-тың оныншы апелляциялық сотында 2012 жылғы CPSC ережесін жойған сәтті апелляциясынан кейін шағын неодим магниттерін сатуды қайта бастады, осылайша АҚШ-та шағын неодим магниттерін сату заңды болды. Бұл CPSC-нің 30 жылдан астам уақыттан бергі алғашқы ұтылысы болды. Journal of Pediatric Gastroenterology and Nutrition журналында жарияланған зерттеуде 2017 жылдан кейін балалардың магниттерді жұтуы айтарлықтай өскені, соның ішінде "бірнеше магниттерді жұтудың күтіп-ұстау деңгейі 5 есеге өскені" анықталды. 2020 жылдың 3 маусымында CPSC комиссияға "Петицияларға жауап беру бойынша штабтың брифингтік жинағын" ұсынды, тіпті петиция жойылғаннан кейін де. Онда 2021 жылы зерттеу жүргізу және 2022 жылы дауыс беру үшін ұсынылатын ереже ұсынысы туралы айтылған. 2019 жылдан бастап өндірушілер ASTM-де ұқсас ерікті стандартты әзірлеуде жұмыс істеп жатыр. 2017 жылдың 26 қазанында CPSC Zen Magnets-ке қарсы әкімшілік шағым түсіріп, магнит жиынтықтарында балаларға зиян келтіру қаупі бар өнім ақаулары бар екенін мәлімдеді, сондай-ақ "Федералды заңға сәйкес кез келген адамның Zen Magnets және Neoballs-ты сату, сатуға ұсыну, өндіру, коммерциялық мақсатта тарату немесе АҚШ-қа импорттау заңсыз" деп мәлімдеді. Канадада 2015 жылдан бері "кішкентай, күшті магниттері бар белгілі бір өнімдерді" сатуға тыйым салынған.
Океания
2012 жылдың қарашасында Жаңа Оңтүстік Уэльсте уақытша тыйым салынғаннан кейін, Австралия бойынша неодим магниттерін сатуға тұрақты тыйым күшіне енді. 2013 жылдың қаңтарында Тұтынушылар істері министрі Саймон Бриджес 2013 жылдың 24 қаңтарынан бастап Жаңа Зеландияда неодим магниттері жиынтығын импорттауға және сатуға тыйым салынғанын жариялады.
Қоршаған ортаға әсері
Еуропалық Одақтың ETN Demeter жобасы (гибридтік және толық электрлі көлік құралдарында сирек кездесетін жерлердің тұрақты магнитті қозғалтқыштары мен генераторларын жобалау және қайта өңдеуге арналған Еуропалық оқыту желісі) көлік құралдарында қолданылатын электр қозғалтқыштарының экологиялық тұрақты дизайнын зерттейді. Мысалы, олар сирек кездесетін металдарды қайта өңдеу үшін магниттерді оңай алынып тасталатын электр қозғалтқыштарын жасап жатыр. Еуропалық зерттеулер кеңесі сондай-ақ бас зерттеуші профессор Томас Земб пен қатарластырылған бас зерттеуші доктор Жан Кристоф П. Габриэльге "Сирек кездесетін жер элементтерін аз зиянды шығарындымен қайта өңдеу: REE CYCLE" жобасы үшін кеңейтілген зерттеу грантын берді, ол сирек кездесетін жерлерді қайта өңдеудің жаңа әдістерін табуға бағытталған.
Баламалар
АҚШ Энергетика министрлігі тұрақты магнит технологиясында сирек кездесетін металдарға балама табу қажеттігін анықтады және осы зерттеулерді қаржыландыруды бастады. Advanced Research Projects Agency Energy (ARPA E) маңызды технологияларда сирек кездесетін металдарға баламаларды әзірлеу мақсатындағы Rare Earth Alternatives in Critical Technologies (REACT) бағдарламасын қолдады. 2011 жылы ARPA E сирек кездесетін металдарды алмастыру жобаларын қаржыландыруға 31,6 миллион доллар бөлді.