پیشرفت‌های تحقیقاتی در مورد مواد مغناطیسی دائمی غیر کمیاب (مانند ترکیبات آهن-نیتروژن) چگونه است؟ آیا آنها می‌توانند در آینده جایگزین آهنرباهای نئودیمیوم شوند؟
۱. مقدمه
آهنرباهای دائمی عناصر خاکی کمیاب، به ویژه آهنرباهای NdFeB، به دلیل محصول انرژی مغناطیسی بی‌نظیر (BH)ₘₐₓ خود که می‌تواند از 50 MGOe فراتر رود، بر بازار آهنرباهای با کارایی بالا تسلط دارند. با این حال، استخراج و فرآوری عناصر خاکی کمیاب هزینه‌های زیست‌محیطی قابل توجهی را در بر می‌گیرد و تنش‌های ژئوپلیتیکی منجر به اختلال در زنجیره تأمین شده است. این چالش‌ها انگیزه‌ای برای اکتشاف مواد مغناطیسی دائمی غیر نادر با عملکرد قابل مقایسه یا برتر شده است.
ترکیبات آهن-نیتروژن توجه قابل توجهی را به خود جلب کرده‌اند زیرا نیتروژن فراوان و ارزان است و می‌تواند خواص مغناطیسی آلیاژهای پایه آهن را به طور قابل توجهی افزایش دهد. دو ترکیب Fe-N که بیشتر مورد مطالعه قرار گرفته‌اند، α"-Fe₁₆N₂ و Sm₂Fe₁₇Nₓ هستند که هر کدام مزایا و چالش‌های متمایزی دارند.
۲. پیشرفت‌های تحقیقاتی در ترکیبات آهن-نیتروژن
۲.۱ α"-Fe₁₆N₂: قهرمان نظری
۲.۱.۱ خواص مغناطیسی و پتانسیل نظری
α"-Fe₁₆N₂ یک فاز شبه‌پایدار از نیترید آهن است که تحت شرایط خاص تشکیل می‌شود. مطالعات نظری نشان می‌دهد که این فاز دارای مغناطش اشباع (Mₛ) فوق‌العاده بالایی در حدود 280 emu/g و انرژی ناهمسانگردی مگنتوکریستالی (K₁) زیادی است که می‌تواند منجر به (BH)ₘₐₓ بیش از 100 MGOe شود - تقریباً دو برابر آهنرباهای NdFeB. این امر α"-Fe₁₆N₂ را به یک کاندیدای بسیار جذاب برای کاربردهای آهنربایی با کارایی بالا تبدیل می‌کند.
۲.۱.۲ چالش‌های سنتز
علیرغم وعده‌های تئوری، سنتز α"-Fe₁₆N₂ بسیار چالش‌برانگیز بوده است. این ترکیب شبه‌پایدار است و به راحتی در دماهای بالاتر از 200 تا 250 درجه سانتیگراد تجزیه می‌شود. علاوه بر این، دستیابی به استوکیومتری دقیق (Fe:N ≈ 16:2) بسیار مهم است، زیرا انحرافات منجر به تشکیل فازهای نامطلوب‌تر مانند γ'-Fe₄N یا ε-Fe₃N می‌شود. روش‌های سنتز مختلفی مورد بررسی قرار گرفته‌اند، از جمله:
- نیتراسیون فاز گازی : شامل قرار دادن لایه‌های نازک یا پودرهای آهن در معرض گازهای حاوی نیتروژن (مثلاً مخلوط‌های NH₃، N₂/H₂) در دما و فشار کنترل‌شده است. با این حال، دستیابی به نیتراسیون یکنواخت و جلوگیری از تجزیه فاز همچنان دشوار است.
- آلیاژسازی مکانیکی : آسیاب گلوله‌ای پرانرژی آهن و ترکیبات حاوی نیتروژن (مثلاً Fe و NaN₃) می‌تواند α"-Fe₁₆N₂ نانوکریستالی تولید کند، اما این فرآیند زمان‌بر و مستعد آلودگی است.
- کاشت یون : یون‌های نیتروژن در زیرلایه‌های آهن کاشته می‌شوند و به دنبال آن عملیات حرارتی برای تشکیل α"-Fe₁₆N₂ انجام می‌شود. این روش کنترل دقیقی بر غلظت نیتروژن ارائه می‌دهد اما به لایه‌های نازک و تولید در مقیاس کوچک محدود می‌شود.
۲.۱.۳ پیشرفت‌های اخیر
در سال ۲۰۲۳، یک شرکت مستقر در ایالات متحده ادعا کرد که آهنرباهای α"-Fe₁₆N₂ با (BH)ₘₐₓ برابر با ۴۰ MGOe تولید کرده است که پتانسیل آنها را در کاربردهای موتوری نشان می‌دهد. با این حال، گزارش شده است که این آهنرباها پایداری حرارتی کمتری نسبت به آهنرباهای NdFeB دارند و استفاده از آنها را در محیط‌های با دمای بالا محدود می‌کنند. محققان اکنون بر روی تثبیت α"-Fe₁₆N₂ از طریق دوپینگ با عناصر دیگر (به عنوان مثال، Ti، V) یا کپسوله کردن آن در پوشش‌های محافظ برای افزایش پایداری حرارتی و شیمیایی آن تمرکز کرده‌اند.
۲.۲ Sm₂Fe₁₇Nₓ: رقیب عملی
۲.۲.۱ ساختار بلوری و خواص مغناطیسی
Sm₂Fe₁₇Nₓ متعلق به ساختار لوزی‌وجهی نوع Th₂Zn₁₇ است، که در آن اتم‌های نیتروژن مکان‌های بین‌نشینی را در شبکه Sm₂Fe₁₇ اشغال می‌کنند. نیتریداسیون به طور قابل توجهی خواص مغناطیسی Sm₂Fe₁₇ را از طریق موارد زیر افزایش می‌دهد:
- افزایش مغناطش اشباع (Mₛ) به دلیل انتقال چگالی اسپین الکترون از نیتروژن به آهن.
- افزایش دمای کوری (Tₐ) از حدود ۳۹۰ درجه سانتیگراد (Sm₂Fe₁₇) تا حدود ۸۰۰ درجه سانتیگراد (Sm₂Fe₁₇Nₓ)، که باعث بهبود پایداری حرارتی می‌شود.
- افزایش وادارندگی (Hₐ) از طریق میخکوبی دیواره‌های دامنه توسط اعوجاج‌های شبکه‌ای ناشی از نیتروژن.
آهنرباهای Sm₂Fe₁₇Nₓ موجود در بازار معمولاً دارای (BH)ₘₐₓ معادل 30 تا 40 MGOe هستند که کمتر از NdFeB است اما همچنان برای بسیاری از کاربردها، از جمله موتورهای خودروهای الکتریکی، درایوهای صنعتی و بلندگوهای صوتی مناسب است.
۲.۲.۲ پیشرفت صنعتی شدن
چین در صنعتی‌سازی آهنرباهای Sm₂Fe₁₇Nₓ پیشگام بوده است و شرکت‌هایی مانند Ningxia Junci New Materials Technology Co., Ltd. (Junci Magvalley) به پیشرفت‌هایی در تولید در مقیاس بزرگ دست یافته‌اند. Junci Magvalley یک فرآیند متالورژی پودر اختصاصی برای تولید پودرهای مغناطیسی Sm₂Fe₁₇Nₓ با عملکرد بالا، با ظرفیت تولید سالانه بیش از 100 تن، توسعه داده است. این شرکت همچنین با تولیدکنندگان پایین‌دستی برای توسعه موتورهای مبتنی بر Sm₂Fe₁₇Nₓ برای وسایل نقلیه با انرژی جدید و اتوماسیون صنعتی همکاری کرده است.
در ژاپن، شرکت‌های Sumitomo Metal Mining Co., Ltd. و Nichia Chemical Industries Co., Ltd. نیز تولید Sm₂Fe₁₇Nₓ را با استفاده از فرآیندهای کاهش-نفوذ صنعتی کرده‌اند. این شرکت‌ها به ثبات محصول بالایی دست یافته‌اند و آهنرباهای Sm₂Fe₁₇Nₓ را برای تولیدکنندگان خودرو و لوازم الکترونیکی تأمین می‌کنند.
۲.۲.۳ بهینه‌سازی عملکرد
برای رقابت با آهنرباهای NdFeB، محققان بر بهبود (BH)ₘₐₓ مربوط به Sm₂Fe₁₇Nₓ از طریق موارد زیر تمرکز دارند:
- نفوذ مرز دانه‌ای (GBD) : پوشش‌دهی ذرات Sm₂Fe₁₇Nₓ با عناصر خاکی کمیاب سنگین (مثل Dy، Tb) برای افزایش وادارندگی بدون کاهش قابل توجه پسماند. این رویکرد با موفقیت در آهنرباهای NdFeB اعمال شده است و اکنون برای Sm₂Fe₁₇Nₓ نیز در حال تطبیق است.
- نانوساختارسازی : کاهش اندازه دانه Sm₂Fe₁₇Nₓ به مقیاس نانومتر می‌تواند حرکت دیواره دامنه را سرکوب کرده و نیروی وادارندگی را افزایش دهد. با این حال، دستیابی به نانوساختارسازی یکنواخت بدون ایجاد نقص همچنان چالش برانگیز است.
- طراحی کامپوزیت : ترکیب Sm₂Fe₁₇Nₓ با سایر مواد مغناطیسی (مانند اکسیدهای آهن، فریت‌ها) برای تشکیل آهنرباهای هیبریدی می‌تواند هزینه و عملکرد را متعادل کند. به عنوان مثال، موتوری که توسط دانشگاه جیانگ سو طراحی شده است، از ترکیبی از آهنرباهای NdFeB و فریت برای کاهش ۵۰ درصدی محتوای عناصر کمیاب خاکی در عین حفظ ۹۱.۶٪ از گشتاور خروجی اصلی استفاده کرده است.
۳. مقایسه با آهنرباهای NdFeB
۳.۱ معیارهای عملکرد
| متریک | آهنرباهای NdFeB | α"-Fe₁₆N₂ (نظری) | α"-Fe₁₆N₂ (آزمایشی) | Sm₂Fe₁₇Nₓ |
|---|---|---|---|---|
| (BH)ₘₐₓ (MGOe) | ۵۰–۶۰ | >100 | 40 | ۳۰–۴۰ |
| Mₛ (emu/g) | ۱۳۰–۱۴۰ | 280 | ~200 | ۱۲۰–۱۳۰ |
| هₐ (kOe) | ۱۰–۳۰ | بالا (نظری) | کم (آزمایشی) | ۱۰–۲۰ |
| دمایₐ (°C) | ۳۱۰–۴۰۰ | کم (<250) | کم (<250) | ۷۰۰–۸۰۰ |
| مقاومت در برابر خوردگی | ضعیف | متوسط | متوسط | خوب |
۳.۲ ملاحظات هزینه و منابع
- وابستگی به عناصر خاکی کمیاب : آهنرباهای NdFeB به نئودیمیوم (Nd) و پراسئودیمیوم (Pr) متکی هستند که به دلیل خطرات تأمین، توسط اتحادیه اروپا به عنوان مواد اولیه حیاتی طبقه‌بندی می‌شوند. در مقابل، Sm₂Fe₁₇Nₓ از ساماریوم (Sm) استفاده می‌کند که از Nd فراوان‌تر است و α"-Fe₁₆N₂ کاملاً عاری از عناصر خاکی کمیاب است.
- هزینه‌های مواد اولیه : هزینه آهنرباهای NdFeB به شدت تحت تأثیر قیمت عناصر خاکی کمیاب است که می‌تواند به طور قابل توجهی نوسان داشته باشد. انتظار می‌رود آهنرباهای Sm₂Fe₁₇Nₓ در مقیاس بزرگ 20 تا 30 درصد ارزان‌تر از آهنرباهای NdFeB باشند، در حالی که آهنرباهای α"-Fe₁₆N₂ در صورت غلبه بر چالش‌های تولید انبوه، می‌توانند حتی ارزان‌تر نیز باشند.
- پتانسیل بازیافت : آهنرباهای NdFeB زیرساخت بازیافت مناسبی دارند و نرخ بازیافت آنها در برخی مناطق از 90٪ فراتر رفته است. پتانسیل بازیافت آهنرباهای Sm₂Fe₁₇Nₓ و α"-Fe₁₆N₂ هنوز در دست بررسی است، اما ترکیبات ساده‌تر آنها ممکن است بازیافت را تسهیل کند.
۴. چشم‌انداز و چالش‌های آینده
۴.۱ چالش‌های فنی
- α"-Fe₁₆N₂ : چالش اصلی، پایدارسازی فاز شبه‌پایدار در دماهای بالا است. محققان در حال بررسی آلایش، پوشش‌دهی و مهندسی ریزساختار برای بهبود پایداری حرارتی هستند. علاوه بر این، افزایش مقیاس سنتز به سطوح صنعتی ضمن حفظ خلوص فاز، همچنان یک مانع است.
- Sm₂Fe₁₇Nₓ : اگرچه صنعتی‌سازی انجام شده است، اما برای رقابت با آهنرباهای NdFeB با عیار بالا، پیشرفت‌های بیشتری در (BH)ₘₐₓ مورد نیاز است. این امر مستلزم پیشرفت در مهندسی مرز دانه، نانوساختارسازی و طراحی کامپوزیت است.
۴.۲ پذیرش بازار
- صنعت خودرو : تولیدکنندگان خودروهای الکتریکی تحت فشار هستند تا هزینه‌ها و وابستگی به عناصر خاکی کمیاب را کاهش دهند. آهنرباهای Sm₂Fe₁₇Nₓ در حال حاضر برای استفاده در موتورهای کششی مورد ارزیابی قرار گرفته‌اند، جایی که دمای کوری بالا و مقاومت خوب در برابر خوردگی آنها مزیت محسوب می‌شود. آهنرباهای α"-Fe₁₆N₂ می‌توانند کاربردهای ویژه‌ای در محیط‌های با دمای پایین، مانند حسگرهای خودرو، پیدا کنند.
- لوازم الکترونیکی مصرفی : روند کوچک‌سازی در لوازم الکترونیکی نیازمند آهنرباهایی با چگالی انرژی مغناطیسی بالا است. در حالی که آهنرباهای NdFeB در حال حاضر بر این بازار تسلط دارند، آهنرباهای Sm₂Fe₁₇Nₓ و α"-Fe₁₆N₂ در صورتی که بتوانند با هزینه کمتر، عملکرد NdFeB را ارائه دهند یا از آن پیشی بگیرند، می‌توانند مورد توجه قرار گیرند.
- انرژی تجدیدپذیر : توربین‌های بادی و دیگر سیستم‌های انرژی تجدیدپذیر به آهنرباهایی نیاز دارند که بتوانند شرایط سخت محیطی را تحمل کنند. پایداری حرارتی و شیمیایی عالی Sm₂Fe₁₇Nₓ آن را به گزینه‌ای قوی برای این کاربردها تبدیل می‌کند.
۴.۳ عوامل سیاستی و محیطی
- حمایت نظارتی : دولت‌ها در سراسر جهان از طریق بودجه تحقیقاتی و مشوق‌های مالیاتی، توسعه آهنرباهای غیر نادر خاکی را ترویج می‌دهند. به عنوان مثال، موسسه مواد حیاتی وزارت انرژی ایالات متحده، تحقیقات در مورد ترکیبات Fe-N را در اولویت قرار داده است.
- تأثیر زیست‌محیطی : تولید آهنرباهای NdFeB ضایعات قابل توجهی تولید می‌کند و برای فرآوری به مواد شیمیایی سمی نیاز دارد. در مقابل، ترکیبات Fe-N را می‌توان با استفاده از روش‌های سبزتر سنتز کرد و ردپای زیست‌محیطی آنها را کاهش داد.
۵. نتیجه‌گیری
مواد مغناطیسی دائمی غیر کمیاب، به ویژه ترکیبات آهن-نیتروژن مانند α"-Fe₁₆N₂ و Sm₂Fe₁₇Nₓ، جایگزین امیدوارکننده‌ای برای آهنرباهای NdFeB هستند. در حالی که α"-Fe₁₆N₂ از نظر تئوری مزایای عملکردی ارائه می‌دهد، کاربرد عملی آن به دلیل چالش‌های سنتز و پایداری با مشکل مواجه است. از سوی دیگر، Sm₂Fe₁₇Nₓ قبلاً به مرحله صنعتی شدن رسیده و به طور فعال در بخش‌های مختلف مورد استفاده قرار می‌گیرد.
در کوتاه‌مدت تا میان‌مدت، آهنرباهای Sm₂Fe₁₇Nₓ احتمالاً سهم بازار را در کاربردهایی که هزینه و پایداری حرارتی بر حداکثر عملکرد مغناطیسی اولویت دارند، به دست خواهند آورد. آهنرباهای α"-Fe₁₆N₂ ممکن است پس از غلبه بر چالش‌های تولیدشان، کاربردهای ویژه‌ای در محیط‌های با دمای پایین پیدا کنند.
در درازمدت، جایگزینی آهنرباهای NdFeB به تحقیقات مداوم در زمینه تثبیت مواد، بهینه‌سازی عملکرد و کاهش هزینه بستگی دارد. با سرمایه‌گذاری و نوآوری پایدار، مواد مغناطیسی دائمی غیر کمیاب پتانسیل ایجاد انقلابی در صنایع وابسته به آهنرباهای با کارایی بالا را دارند و وابستگی به عناصر کمیاب خاکی را کاهش داده و آینده‌ای پایدارتر را رقم می‌زنند.
