Senz Magnet - الشركة المصنعة للمواد الدائمة العالمية & المورد أكثر من 20 سنة.
ما هو التقدم المحرز في أبحاث المواد المغناطيسية الدائمة غير النادرة (مثل مركبات الحديد والنيتروجين)؟ وهل يمكن أن تحل محل مغناطيسات النيوديميوم مستقبلًا؟
1. المقدمة
تُهيمن مغناطيسات العناصر الأرضية النادرة الدائمة، وخاصةً مغناطيسات NdFeB، على سوق المغناطيسات عالية الأداء بفضل منتجها الفريد للطاقة المغناطيسية (BH)ₘₐₓ، والذي قد يتجاوز 50 مليون جالون من المكافئ الذهبي. ومع ذلك، فإن استخراج ومعالجة العناصر الأرضية النادرة ينطويان على تكاليف بيئية باهظة، وقد أدت التوترات الجيوسياسية إلى اضطرابات في سلسلة التوريد. وقد حفزت هذه التحديات استكشاف مواد مغناطيسية دائمة غير أرضية نادرة ذات أداء مماثل أو متفوق.
حظيت مركبات الحديد-النيتروجين باهتمام كبير نظرًا لوفرة النيتروجين وانخفاض تكلفته، وقدرته على تعزيز الخواص المغناطيسية للسبائك القائمة على الحديد بشكل كبير. المركبان الأكثر دراسةً هما α"-Fe₁₆N₂ وSm₂Fe₁₇Nₓ، ولكل منهما مزاياه وتحدياته الخاصة.
2. التقدم البحثي في مركبات الحديد والنيتروجين
2.1 α"-Fe₁₆N₂: البطل النظري
2.1.1 الخصائص المغناطيسية والإمكانات النظرية
α"-Fe₁₆N₂ هو طور غير مستقر من نتريد الحديد يتشكل في ظل ظروف محددة. تشير الدراسات النظرية إلى أنه يمتلك مغناطيسية تشبع عالية جدًا (Mₛ) تبلغ حوالي 280 وحدة إكترونية/جم وطاقة تباين مغناطيسية بلورية كبيرة (K₁)، مما قد يؤدي إلى (BH)ₘₐₓ تتجاوز 100 MGOe - أي ما يقرب من ضعف مغناطيسات NdFeB. هذا يجعل α"-Fe₁₆N₂ مرشحًا جذابًا للغاية لتطبيقات المغناطيس عالية الأداء.
2.1.2 تحديات التوليف
على الرغم من جدواه النظرية، فقد ثبت أن تخليق α"-Fe₁₆N₂ عملية صعبة للغاية. يتميز هذا المركب بثباته النسبي، ويتحلل بسهولة عند درجات حرارة أعلى من 200-250 درجة مئوية. علاوة على ذلك، يُعد تحقيق نسبة دقيقة (Fe:N ≈ 16:2) أمرًا بالغ الأهمية، لأن الانحرافات تؤدي إلى تكوين أطوار أقل ملاءمة مثل γ'-Fe₄N أو ε-Fe₃N. وقد تم استكشاف طرق تخليق مختلفة، منها:
- النترتة في الطور الغازي : تتضمن تعريض أغشية أو مساحيق الحديد لغازات تحتوي على النيتروجين (مثل NH₃، ومخاليط N₂/H₂) في درجات حرارة وضغوط مُتحكم بها. مع ذلك، لا يزال تحقيق النترتة المنتظمة ومنع تحلل الطور أمرًا صعبًا.
- السبائك الميكانيكية : يمكن لعملية طحن الكرات عالية الطاقة للحديد والمركبات المحتوية على النيتروجين (على سبيل المثال، Fe وNaN₃) أن تنتج α"-Fe₁₆N₂ نانوية البلورية، ولكن العملية تستغرق وقتًا طويلاً وعرضة للتلوث.
- زرع الأيونات : تُزرع أيونات النيتروجين في ركائز الحديد، ثم تُجرى عملية التلدين لتكوين α"-Fe₁₆N₂. توفر هذه الطريقة تحكمًا دقيقًا في تركيز النيتروجين، ولكنها تقتصر على الأغشية الرقيقة والإنتاج على نطاق صغير.
2.1.3 الاختراقات الأخيرة
في عام ٢٠٢٣، زعمت شركة أمريكية أنها أنتجت مغناطيسات α"-Fe₁₆N₂ بكثافة (BH)ₘₐₓ تبلغ ٤٠ MGOe، مما يُظهر إمكاناتها في تطبيقات المحركات. ومع ذلك، أُفيد بأن هذه المغناطيسات تتمتع بثبات حراري أقل من مغناطيسات NdFeB، مما يحد من استخدامها في البيئات ذات درجات الحرارة العالية. يركز الباحثون الآن على تثبيت α"-Fe₁₆N₂ من خلال التطعيم بعناصر أخرى (مثل Ti وV) أو تغليفها بطبقات واقية لتعزيز استقرارها الحراري والكيميائي.
2.2 Sm₂Fe₁₇Nₓ: المنافس العملي
2.2.1 البنية البلورية والخصائص المغناطيسية
ينتمي Sm₂Fe₁₇Nₓ إلى بنية مُعينية السطوح من نوع Th₂Zn₁₇، حيث تشغل ذرات النيتروجين مواقع بينية في شبكة Sm₂Fe₁₇. تُعزز النترتة بشكل ملحوظ الخواص المغناطيسية لـ Sm₂Fe₁₇ من خلال:
- زيادة مغناطيسية التشبع (Mₛ) بسبب انتقال كثافة دوران الإلكترون من النيتروجين إلى الحديد.
- رفع درجة حرارة كوري (Tₐ) من ~390 درجة مئوية (Sm₂Fe₁₇) إلى ~800 درجة مئوية (Sm₂Fe₁₇Nₓ)، مما يحسن الاستقرار الحراري.
- تعزيز القوة القسرية (Hₐ) من خلال تثبيت جدران المجال عن طريق التشوهات الشبكية الناجمة عن النيتروجين.
عادةً ما تحتوي مغناطيسات Sm₂Fe₁₇Nₓ المتوفرة تجاريًا على (BH)ₘₐₓ بمقدار 30–40 MGOe، وهو أقل من NdFeB ولكنه لا يزال مناسبًا للعديد من التطبيقات، بما في ذلك محركات المركبات الكهربائية والمحركات الصناعية ومكبرات الصوت.
2.2.2 تقدم التصنيع
كانت الصين رائدة في تصنيع مغناطيسات Sm₂Fe₁₇Nₓ، حيث حققت شركات مثل شركة نينغشيا جونسي لتكنولوجيا المواد الجديدة المحدودة (جونسي ماجفالي) إنجازاتٍ كبيرة في الإنتاج على نطاق واسع. طورت جونسي ماجفالي عمليةً خاصةً بها لمسحوق المعادن لتصنيع مساحيق مغناطيسية عالية الأداء من Sm₂Fe₁₇Nₓ، بطاقة إنتاجية سنوية تتجاوز 100 طن. كما تعاونت الشركة مع شركات تصنيع أخرى لتطوير محركات قائمة على Sm₂Fe₁₇Nₓ لمركبات الطاقة الجديدة والأتمتة الصناعية.
في اليابان، قامت شركة سوميتومو لتعدين المعادن المحدودة وشركة نيشيا للصناعات الكيميائية المحدودة أيضًا بتصنيع إنتاج Sm₂Fe₁₇Nₓ باستخدام عمليات الاختزال والانتشار. وقد حققت هاتان الشركتان ثباتًا عاليًا في المنتج، وتُورّدان مغناطيسات Sm₂Fe₁₇Nₓ لمصنعي السيارات والإلكترونيات.
2.2.3 تحسين الأداء
للتنافس مع مغناطيسات NdFeB، يركز الباحثون على تحسين (BH)ₘₐₓ لـ Sm₂Fe₁₇Nₓ من خلال:
- انتشار حدود الحبيبات (GBD) : طلاء جسيمات Sm₂Fe₁₇Nₓ بعناصر أرضية نادرة ثقيلة (مثل Dy وTb) لتعزيز الإكراه دون تقليل البقايا بشكل ملحوظ. طُبّق هذا النهج بنجاح على مغناطيسات NdFeB، ويجري حاليًا تكييفه مع Sm₂Fe₁₇Nₓ.
- البنية النانوية : يُمكن لتقليص حجم حبيبات Sm₂Fe₁₇Nₓ إلى مقياس النانومتر أن يُثبّط حركة جدار المجال ويزيد من قوة الإكراه. ومع ذلك، لا يزال تحقيق بنية نانوية موحدة دون إحداث أي عيوب أمرًا صعبًا.
- التصميم المركب : يُمكن تحقيق التوازن بين التكلفة والأداء من خلال دمج Sm₂Fe₁₇Nₓ مع مواد مغناطيسية أخرى (مثل أكاسيد الحديد والفيريت) لتكوين مغناطيسات هجينة. على سبيل المثال، استخدم محرك صممته جامعة جيانغسو مزيجًا من مغناطيسات NdFeB والفيريت لتقليل محتوى العناصر الأرضية النادرة بنسبة 50% مع الحفاظ على 91.6% من عزم الدوران الأصلي.
3. مقارنة مع مغناطيسات NdFeB
3.1 مقاييس الأداء
| متري | مغناطيسات NdFeB | α"-Fe₁₆N₂ (نظري) | α"-Fe₁₆N₂ (تجريبي) | Sm₂Fe₁₇Nₓ |
|---|---|---|---|---|
| (BH)ₘₐₓ (MGOe) | 50–60 | >100 | 40 | 30–40 |
| Mₛ (الاتحاد الاقتصادي والنقدي / ز) | 130–140 | 280 | ~200 | 120–130 |
| Hₐ (kOe) | 10–30 | عالية (نظرية) | منخفض (تجريبي) | 10–20 |
| درجة الحرارةₐ (°م) | 310–400 | منخفض (<250) | منخفض (<250) | 700–800 |
| مقاومة التآكل | فقير | معتدل | معتدل | جيد |
3.2 اعتبارات التكلفة والموارد
- الاعتماد على العناصر الأرضية النادرة : تعتمد مغناطيسات NdFeB على النيوديميوم (Nd) والبراسيوديميوم (Pr)، اللذين يُصنّفهما الاتحاد الأوروبي كمواد خام أساسية نظرًا لمخاطر التوريد. في المقابل، يستخدم Sm₂Fe₁₇Nₓ الساماريوم (Sm)، وهو أكثر وفرة من Nd، وα"-Fe₁₆N₂ خالٍ تمامًا من العناصر الأرضية النادرة.
- تكاليف المواد الخام : تتأثر تكلفة مغناطيسات NdFeB بشكل كبير بأسعار العناصر الأرضية النادرة، والتي قد تتقلب بشكل كبير. من المتوقع أن تكون مغناطيسات Sm₂Fe₁₇Nₓ أرخص بنسبة 20-30% من مغناطيسات NdFeB عند الاستخدام على نطاق واسع، بينما قد تكون مغناطيسات α"-Fe₁₆N₂ أرخص إذا تم التغلب على تحديات الإنتاج الضخم.
- إمكانية إعادة التدوير : تتمتع مغناطيسات NdFeB ببنية تحتية راسخة لإعادة التدوير، حيث تتجاوز معدلات إعادة التدوير 90% في بعض المناطق. لا تزال إمكانية إعادة تدوير مغناطيسات Sm₂Fe₁₇Nₓ وα"-Fe₁₆N₂ قيد الدراسة، ولكن تركيباتها الأبسط قد تُسهّل إعادة التدوير.
4. التوقعات المستقبلية والتحديات
4.1 التحديات التقنية
- α"-Fe₁₆N₂ : يكمن التحدي الرئيسي في تثبيت الطور شبه المستقر عند درجات حرارة مرتفعة. يستكشف الباحثون تقنيات التنشيط والطلاء والهندسة الدقيقة لتحسين الاستقرار الحراري. إضافةً إلى ذلك، لا يزال توسيع نطاق التركيب إلى المستويات الصناعية مع الحفاظ على نقاء الطور يمثل عقبة.
- Sm₂Fe₁₇Nₓ : مع تحقيق التصنيع، لا تزال هناك حاجة إلى تحسينات إضافية في (BH)ₘₐₓ لمنافسة مغناطيسات NdFeB عالية الجودة. يتطلب هذا تطورات في هندسة حدود الحبيبات، والبنية النانوية، وتصميم المركبات.
4.2 اعتماد السوق
- صناعة السيارات : يواجه مصنعو السيارات الكهربائية ضغوطًا لخفض التكاليف وتقليل الاعتماد على المعادن النادرة. ويجري حاليًا تقييم مغناطيسات Sm₂Fe₁₇Nₓ لاستخدامها في محركات الجر، حيث تتميز بدرجة حرارة كوري العالية ومقاومتها الجيدة للتآكل. ويمكن استخدام مغناطيسات α"-Fe₁₆N₂ في تطبيقات متخصصة في بيئات منخفضة الحرارة، مثل أجهزة استشعار السيارات.
- الإلكترونيات الاستهلاكية : يتطلب التوجه نحو تصغير الإلكترونيات مغناطيسات ذات كثافة طاقة مغناطيسية عالية. وبينما تهيمن مغناطيسات NdFeB حاليًا على هذا السوق، فإن مغناطيسات Sm₂Fe₁₇Nₓ وα"-Fe₁₆N₂ قد تكتسب زخمًا إذا استطاعت مطابقة أداء NdFeB أو التفوق عليه بتكلفة أقل.
- الطاقة المتجددة : تتطلب توربينات الرياح وأنظمة الطاقة المتجددة الأخرى مغناطيسات قادرة على تحمل الظروف البيئية القاسية. الاستقرار الحراري والكيميائي الممتاز لـ Sm₂Fe₁₇Nₓ يجعله مرشحًا قويًا لهذه التطبيقات.
4.3 العوامل السياسية والبيئية
- الدعم التنظيمي : تُشجّع الحكومات حول العالم تطوير مغناطيسات العناصر الأرضية غير النادرة من خلال تمويل الأبحاث والحوافز الضريبية. على سبيل المثال، أعطى معهد المواد الحرجة التابع لوزارة الطاقة الأمريكية الأولوية لأبحاث مركبات نيتروجين الحديد.
- التأثير البيئي : يُنتج إنتاج مغناطيسات NdFeB نفايات كبيرة ويتطلب مواد كيميائية سامة للمعالجة. في المقابل، يُمكن تصنيع مركبات Fe-N باستخدام طرق صديقة للبيئة، مما يُقلل من أثرها البيئي.
5. الخاتمة
تُمثل المواد المغناطيسية الدائمة غير الأرضية النادرة، وخاصةً مركبات الحديد والنيتروجين مثل α"-Fe₁₆N₂ وSm₂Fe₁₇Nₓ، بديلاً واعداً لمغناطيسات NdFeB. وبينما تتميز α"-Fe₁₆N₂ بمزايا أداء نظرية، إلا أن تطبيقها العملي يواجه تحديات في التركيب والاستقرار. من ناحية أخرى، حققت Sm₂Fe₁₇Nₓ بالفعل انتشاراً صناعياً، ويجري اعتمادها بنشاط في قطاعات مختلفة.
على المدى القصير إلى المتوسط، من المرجح أن تكتسب مغناطيسات Sm₂Fe₁₇Nₓ حصة سوقية في التطبيقات التي تُعطى فيها الأولوية للتكلفة والاستقرار الحراري على الأداء المغناطيسي الأقصى. قد تجد مغناطيسات α"-Fe₁₆N₂ استخدامات متخصصة في البيئات ذات درجات الحرارة المنخفضة بمجرد التغلب على تحديات إنتاجها.
على المدى البعيد، سيعتمد استبدال مغناطيسات NdFeB على مواصلة البحث في تثبيت المواد، وتحسين الأداء، وخفض التكلفة. وبفضل الاستثمار والابتكار المستدامين، تتمتع المواد المغناطيسية الدائمة غير النادرة بالقدرة على إحداث ثورة في الصناعات التي تعتمد على المغناطيسات عالية الأداء، مما يقلل الاعتماد على العناصر الأرضية النادرة، ويعزز مستقبلًا أكثر استدامة.
