Senz Magnet - Глобален производител на материали за постоянни магнити & Доставчик над 20 години.
Какъв е напредъкът в изследванията на нередкоземни постоянни магнитни материали (като желязо-азотни съединения)? Могат ли те да заменят неодимовите магнити в бъдеще?
1. Въведение
Редкоземните постоянни магнити, особено NdFeB магнитите, доминират на пазара на високопроизводителни магнити поради несравнимия си магнитен енергиен продукт (BH)ₘₐₓ, който може да надхвърли 50 MGOe. Добивът и обработката на редкоземни елементи обаче са свързани със значителни екологични разходи, а геополитическото напрежение е довело до прекъсвания на веригата за доставки. Тези предизвикателства са мотивирали проучването на нередкоземни постоянни магнитни материали със сравними или по-добри характеристики.
Желязо-азотните съединения са привлекли значително внимание, тъй като азотът е в изобилие, евтин е и може значително да подобри магнитните свойства на сплави на желязна основа. Двете най-изследвани Fe-N съединения са α"-Fe₁₆N₂ и Sm₂Fe₁₇Nₓ, всяко от които има различни предимства и предизвикателства.
2. Напредък в изследванията на желязо-азотни съединения
2.1 α"-Fe₁₆N₂: Теоретичният шампион
2.1.1 Магнитни свойства и теоретичен потенциал
α"-Fe₁₆N₂ е метастабилна фаза от железен нитрид, която се образува при специфични условия. Теоретичните изследвания показват, че той притежава изключително висока степен на намагнитване на насищане (Mₛ) от приблизително 280 emu/g и голяма енергия на магнитокристална анизотропия (K₁), което може да доведе до (BH)ₘₐₓ, надвишаваща 100 MGOe – почти двойно повече от това на NdFeB магнитите. Това прави α"-Fe₁₆N₂ изключително привлекателен кандидат за приложения във високопроизводителни магнити.
2.1.2 Предизвикателства при синтеза
Въпреки теоретичния си потенциал, синтезът на α"-Fe₁₆N₂ се оказа изключително труден. Съединението е метастабилно и се разлага лесно при температури над 200–250°C. Освен това, постигането на точната стехиометрия (Fe:N ≈ 16:2) е от решаващо значение, тъй като отклоненията водят до образуването на по-малко желани фази като γ'-Fe₄N или ε-Fe₃N. Разгледани са различни методи за синтез, включително:
- Газофазно нитриране : Включва излагане на железни филми или прахове на азотсъдържащи газове (напр. NH₃, N₂/H₂ смеси) при контролирани температури и налягания. Постигането на равномерно нитриране и предотвратяването на фазовото разлагане обаче остава трудно.
- Механично легиране : Високоенергийното топково смилане на желязо и азотсъдържащи съединения (напр. Fe и NaN₃) може да доведе до нанокристален α"-Fe₁₆N₂, но процесът е времеемък и е склонен към замърсяване.
- Йонна имплантация : Азотните йони се имплантират в железни субстрати, последвано от отгряване, за да се образува α"-Fe₁₆N₂. Този метод предлага прецизен контрол върху концентрацията на азот, но е ограничен до тънки филми и дребномащабно производство.
2.1.3 Скорошни пробиви
През 2023 г. компания, базирана в САЩ, заяви, че е произвела α"-Fe₁₆N₂ магнити с (BH)ₘₐₓ от 40 MGOe, демонстрирайки техния потенциал в приложенията за двигатели. Съобщава се обаче, че тези магнити имат по-ниска термична стабилност от NdFeB магнитите, което ограничава използването им във високотемпературни среди. Изследователите сега се фокусират върху стабилизирането на α"-Fe₁₆N₂ чрез легиране с други елементи (напр. Ti, V) или капсулирането му в защитни покрития, за да се подобри неговата термична и химическа стабилност.
2.2 Sm₂Fe₁₇Nₓ: Практическият претендент
2.2.1 Кристална структура и магнитни свойства
Sm₂Fe₁₇Nₓ принадлежи към ромбоедричната структура от типа Th₂Zn₁₇, където азотните атоми заемат междинни позиции в решетката на Sm₂Fe₁₇. Нитрирането значително подобрява магнитните свойства на Sm₂Fe₁₇ чрез:
- Увеличаване на намагнитването на насищане (Mₛ) поради прехвърлянето на електронната спинова плътност от азот към желязо.
- Повишаване на температурата на Кюри (Tₐ) от ~390°C (Sm₂Fe₁₇) до ~800°C (Sm₂Fe₁₇Nₓ), подобрявайки термичната стабилност.
- Повишаване на коерцитивността (Hₐ) чрез закрепване на доменни стени от азот-индуцирани решетъчни изкривявания.
Търговски достъпните Sm₂Fe₁₇Nₓ магнити обикновено имат (BH)ₘₐₓ от 30–40 MGOe, което е по-ниско от NdFeB, но все пак е подходящо за много приложения, включително двигатели за електрически превозни средства, промишлени задвижвания и аудио високоговорители.
2.2.2 Напредък в индустриализацията
Китай пое водеща роля в индустриализацията на Sm₂Fe₁₇Nₓ магнити, като компании като Ningxia Junci New Materials Technology Co., Ltd. (Junci Magvalley) постигнаха пробив в мащабното производство. Junci Magvalley е разработила патентован процес на прахова металургия за производство на високоефективни Sm₂Fe₁₇Nₓ магнитни прахове, с годишен производствен капацитет над 100 тона. Компанията също така си сътрудничи с производители надолу по веригата за разработване на двигатели на базата на Sm₂Fe₁₇Nₓ за превозни средства с нова енергия и индустриална автоматизация.
В Япония, Sumitomo Metal Mining Co., Ltd. и Nichia Chemical Industries Co., Ltd. също индустриализираха производството на Sm₂Fe₁₇Nₓ, използвайки редукционно-дифузионни процеси. Тези компании са постигнали висока консистентност на продукта и доставят Sm₂Fe₁₇Nₓ магнити на производители на автомобили и електроника.
2.2.3 Оптимизация на производителността
За да се конкурират с NdFeB магнитите, изследователите се фокусират върху подобряването на (BH)ₘₐₓ на Sm₂Fe₁₇Nₓ чрез:
- Дифузия по границите на зърната (GBD) : Покриване на частици Sm₂Fe₁₇Nₓ с тежки редкоземни елементи (напр. Dy, Tb) за повишаване на коерцитивността без значително намаляване на остатъчната електрическа енергия. Този подход е успешно приложен към NdFeB магнити и сега се адаптира за Sm₂Fe₁₇Nₓ.
- Наноструктуриране : Намаляването на размера на зърната на Sm₂Fe₁₇Nₓ до нанометров мащаб може да потисне движението на доменните стени и да увеличи коерцитивността. Постигането на равномерно наноструктуриране без въвеждане на дефекти обаче остава предизвикателство.
- Композитен дизайн : Комбинирането на Sm₂Fe₁₇Nₓ с други магнитни материали (напр. железни оксиди, ферити) за образуване на хибридни магнити може да балансира цената и производителността. Например, двигател, проектиран от университета Дзянсу, използва комбинация от NdFeB и феритни магнити, за да намали съдържанието на редкоземни елементи с 50%, като същевременно запази 91,6% от първоначалния въртящ момент.
3. Сравнение с NdFeB магнити
3.1 Показатели за ефективност
| Метричен | NdFeB магнити | α"-Fe₁₆N₂ (Теоретично) | α"-Fe₁₆N₂ (Експериментално) | Sm₂Fe₁₇Nₓ |
|---|---|---|---|---|
| (BH)ₘₐₓ (MGOe) | 50–60 | >100 | 40 | 30–40 |
| Mₛ (ему/g) | 130–140 | 280 | ~200 | 120–130 |
| Hₐ (kOe) | 10–30 | Високо (теоретично) | Ниско (експериментално) | 10–20 |
| Tₐ (°C) | 310–400 | Ниско (<250) | Ниско (<250) | 700–800 |
| Устойчивост на корозия | Слаб | Умерено | Умерено | Добре |
3.2 Съображения, свързани с разходите и ресурсите
- Зависимост от редкоземни елементи : NdFeB магнитите разчитат на неодим (Nd) и празеодим (Pr), които са класифицирани като критични суровини от Европейския съюз поради рискове за доставките. За разлика от тях, Sm₂Fe₁₇Nₓ използва самарий (Sm), който е по-изобилен от Nd, а α"-Fe₁₆N₂ е изцяло без редкоземни елементи.
- Разходи за суровини : Цената на NdFeB магнитите е силно повлияна от цените на редкоземните елементи, които могат да се колебаят значително. Очаква се Sm₂Fe₁₇Nₓ магнитите да бъдат с 20–30% по-евтини от NdFeB магнитите в голям мащаб, докато α"-Fe₁₆N₂ магнитите биха могли да бъдат дори по-евтини, ако се преодолеят предизвикателствата, свързани с масовото производство.
- Потенциал за рециклиране : NdFeB магнитите имат добре изградена инфраструктура за рециклиране, като процентите на рециклиране надхвърлят 90% в някои региони. Потенциалът за рециклиране на Sm₂Fe₁₇Nₓ и α"-Fe₁₆N₂ магнитите все още се проучва, но по-простите им състави могат да улеснят рециклирането.
4. Бъдещи перспективи и предизвикателства
4.1 Технически предизвикателства
- α"-Fe₁₆N₂ : Основното предизвикателство е стабилизирането на метастабилната фаза при повишени температури. Изследователите изследват легиране, покритие и микроструктурно инженерство, за да подобрят термичната стабилност. Освен това, увеличаването на синтеза до индустриални нива, като същевременно се поддържа чистотата на фазата, остава пречка.
- Sm₂Fe₁₇Nₓ : Въпреки че индустриализацията е постигната, са необходими допълнителни подобрения в (BH)ₘₐₓ, за да се конкурира с висококачествените NdFeB магнити. Това изисква напредък в инженерството на границите на зърната, наноструктурирането и композитния дизайн.
4.2 Пазарно приемане
- Автомобилна индустрия : Производителите на електрически превозни средства са под натиск да намалят разходите и зависимостта си от редкоземни елементи. Sm₂Fe₁₇Nₓ магнитите вече се оценяват за употреба в тягови двигатели, където високата им температура на Кюри и добрата им устойчивост на корозия са предимство. α"-Fe₁₆N₂ магнитите биха могли да намерят нишови приложения в нискотемпературни среди, като например автомобилни сензори.
- Потребителска електроника : Тенденцията за миниатюризация в електрониката изисква магнити с висока магнитна енергийна плътност. Докато NdFeB магнитите в момента доминират на този пазар, Sm₂Fe₁₇Nₓ и α"-Fe₁₆N₂ магнитите биха могли да наберат популярност, ако могат да съвпаднат или надминат производителността на NdFeB на по-ниска цена.
- Възобновяема енергия : Вятърните турбини и други системи за възобновяема енергия изискват магнити, които могат да издържат на тежки условия на околната среда. Отличната термична и химическа стабилност на Sm₂Fe₁₇Nₓ го прави силен кандидат за тези приложения.
4.3 Политически и екологични фактори
- Регулаторна подкрепа : Правителствата по целия свят насърчават разработването на магнити, които не са от редкоземни елементи, чрез финансиране на научни изследвания и данъчни стимули. Например, Институтът за критични материали към Министерството на енергетиката на САЩ е дал приоритет на изследванията на Fe-N съединения.
- Въздействие върху околната среда : Производството на NdFeB магнити генерира значителни отпадъци и изисква токсични химикали за обработка. За разлика от това, Fe-N съединенията могат да бъдат синтезирани с помощта на по-екологични методи, намалявайки техния екологичен отпечатък.
5. Заключение
Нередкоземните постоянни магнитни материали, по-специално желязо-азотни съединения като α"-Fe₁₆N₂ и Sm₂Fe₁₇Nₓ, представляват обещаваща алтернатива на NdFeB магнитите. Докато α"-Fe₁₆N₂ предлага теоретични предимства, практическото му приложение е възпрепятствано от проблеми със синтеза и стабилността. Sm₂Fe₁₇Nₓ, от друга страна, вече е постигнал индустриализация и се използва активно в различни сектори.
В краткосрочен и средносрочен план, Sm₂Fe₁₇Nₓ магнитите вероятно ще спечелят пазарен дял в приложения, където цената и термичната стабилност са приоритет пред максималната магнитна производителност. α"-Fe₁₆N₂ магнитите могат да намерят нишови приложения в нискотемпературни среди, след като производствените им предизвикателства бъдат преодолени.
В дългосрочен план, замяната на NdFeB магнитите ще зависи от продължаващите изследвания в областта на стабилизирането на материалите, оптимизирането на производителността и намаляването на разходите. С устойчиви инвестиции и иновации, постоянните магнитни материали, които не са от редкоземни елементи, имат потенциала да революционизират индустриите, зависими от високопроизводителни магнити, намалявайки зависимостта от редкоземни елементи и насърчавайки по-устойчиво бъдеще.
