Senz Magnet - Globalni proizvođač materijala za trajne magnete & Dobavljač više od 20 godina.
Kakav je napredak u istraživanju trajnih magnetskih materijala koji nisu rijetki zemni elementi (kao što su spojevi željeza i dušika)? Mogu li oni u budućnosti zamijeniti neodimijske magnete?
1. Uvod
Trajni magneti od rijetkih zemalja, posebno NdFeB magneti, dominiraju tržištem visokoučinkovitih magneta zbog svog neusporedivog produkta magnetske energije (BH)ₘₐₓ, koji može premašiti 50 MGOe. Međutim, vađenje i obrada elemenata rijetkih zemalja uključuje značajne troškove za okoliš, a geopolitičke napetosti dovele su do poremećaja u lancu opskrbe. Ti izazovi motivirali su istraživanje trajnih magnetskih materijala koji nisu rijetki od zemalja s usporedivim ili superiornijim performansama.
Spojevi željeza i dušika privukli su znatnu pozornost jer je dušik obilan, jeftin je i može značajno poboljšati magnetska svojstva legura na bazi željeza. Dva najproučavanija Fe-N spoja su α"-Fe₁₆N₂ i Sm₂Fe₁₇Nₓ, svaki s različitim prednostima i izazovima.
2. Napredak istraživanja spojeva željeza i dušika
2.1 α"-Fe₁₆N₂: Teorijski prvak
2.1.1 Magnetska svojstva i teorijski potencijal
α"-Fe₁₆N₂ je metastabilna faza željeznog nitrida koja se formira pod određenim uvjetima. Teorijske studije sugeriraju da posjeduje izvanredno visoku magnetizaciju zasićenja (Mₛ) od približno 280 emu/g i veliku energiju magnetokristalne anizotropije (K₁), što bi moglo dovesti do (BH)ₘₐₓ veće od 100 MGOe - gotovo dvostruko više od NdFeB magneta. To čini α"-Fe₁₆N₂ vrlo atraktivnim kandidatom za primjenu u visokoučinkovitim magnetima.
2.1.2 Izazovi sinteze
Unatoč teorijskom obećanju, sinteza α"-Fe₁₆N₂ pokazala se izuzetno izazovnom. Spoj je metastabilan i lako se razgrađuje na temperaturama iznad 200–250 °C. Štoviše, postizanje precizne stehiometrije (Fe:N ≈ 16:2) je ključno, jer odstupanja rezultiraju stvaranjem manje poželjnih faza poput γ'-Fe₄N ili ε-Fe₃N. Istražene su različite metode sinteze, uključujući:
- Nitriranje u plinskoj fazi : Uključuje izlaganje željeznih filmova ili prahova plinovima koji sadrže dušik (npr. NH₃, smjese N₂/H₂) pri kontroliranim temperaturama i tlakovima. Međutim, postizanje ujednačenog nitriranja i sprječavanje raspadanja faze ostaje teško.
- Mehaničko legiranje : Visokoenergetsko kuglično mljevenje željeza i spojeva koji sadrže dušik (npr. Fe i NaN₃) može proizvesti nanokristalni α"-Fe₁₆N₂, ali proces je dugotrajan i sklon kontaminaciji.
- Implantacija iona : Dušikovi ioni se implantiraju u željezne podloge, nakon čega slijedi žarenje kako bi se formirao α"-Fe₁₆N₂. Ova metoda nudi preciznu kontrolu nad koncentracijom dušika, ali je ograničena na tanke filmove i proizvodnju malih razmjera.
2.1.3 Nedavna otkrića
Godine 2023., tvrtka sa sjedištem u SAD-u tvrdila je da je proizvela α"-Fe₁₆N₂ magnete s (BH)ₘₐₓ od 40 MGOe, pokazujući njihov potencijal u primjenama u motorima. Međutim, objavljeno je da ovi magneti imaju nižu toplinsku stabilnost od NdFeB magneta, što ograničava njihovu upotrebu u okruženjima s visokim temperaturama. Istraživači se sada usredotočuju na stabilizaciju α"-Fe₁₆N₂ dopiranjem drugim elementima (npr. Ti, V) ili kapsuliranjem u zaštitne premaze kako bi se poboljšala njegova toplinska i kemijska stabilnost.
2.2 Sm₂Fe₁₇Nₓ: Praktični kandidat
2.2.1 Kristalna struktura i magnetska svojstva
Sm₂Fe₁₇Nₓ pripada romboedarskoj strukturi tipa Th₂Zn₁₇, gdje atomi dušika zauzimaju intersticijska mjesta u rešetki Sm₂Fe₁₇. Nitriranje značajno poboljšava magnetska svojstva Sm₂Fe₁₇ na sljedeći način:
- Povećanje magnetizacije zasićenja (Mₛ) zbog prijenosa gustoće elektronskog spina s dušika na željezo.
- Povećanje Curiejeve temperature (Tₐ) s ~390 °C (Sm₂Fe₁₇) na ~800 °C (Sm₂Fe₁₇Nₓ), poboljšavajući toplinsku stabilnost.
- Povećanje koercitivnosti (Hₐ) zakvačivanjem domenskih stijenki dušikom induciranim izobličenjima rešetke.
Komercijalno dostupni Sm₂Fe₁₇Nₓ magneti obično imaju (BH)ₘₐₓ od 30–40 MGOe, što je niže od NdFeB, ali i dalje prikladno za mnoge primjene, uključujući motore električnih vozila, industrijske pogone i audio zvučnike.
2.2.2 Napredak industrijalizacije
Kina je preuzela vodeću ulogu u industrijalizaciji Sm₂Fe₁₇Nₓ magneta, a tvrtke poput Ningxia Junci New Materials Technology Co., Ltd. (Junci Magvalley) postižu napredak u proizvodnji velikih razmjera. Junci Magvalley razvila je vlastiti proces metalurgije praha za proizvodnju visokoučinkovitih magnetskih prahova Sm₂Fe₁₇Nₓ, s godišnjim proizvodnim kapacitetom većim od 100 tona. Tvrtka je također surađivala s proizvođačima u nizu na razvoju motora na bazi Sm₂Fe₁₇Nₓ za vozila s novom energijom i industrijsku automatizaciju.
U Japanu su tvrtke Sumitomo Metal Mining Co., Ltd. i Nichia Chemical Industries Co., Ltd. također industrijalizirale proizvodnju Sm₂Fe₁₇Nₓ korištenjem redukcijsko-difuzijskih procesa. Ove tvrtke postigle su visoku konzistentnost proizvoda i isporučuju Sm₂Fe₁₇Nₓ magnete proizvođačima automobila i elektronike.
2.2.3 Optimizacija performansi
Kako bi se mogli natjecati s NdFeB magnetima, istraživači se usredotočuju na poboljšanje (BH)ₘₐₓ Sm₂Fe₁₇Nₓ putem:
- Difuzija na granicama zrna (GBD) : Premazivanje čestica Sm₂Fe₁₇Nₓ teškim rijetkozemnim elementima (npr. Dy, Tb) radi povećanja koercitivnosti bez značajnog smanjenja remanencije. Ovaj pristup uspješno je primijenjen na NdFeB magnete i sada se prilagođava za Sm₂Fe₁₇Nₓ.
- Nanostrukturiranje : Smanjenje veličine zrna Sm₂Fe₁₇Nₓ na nanometarsku skalu može potisnuti gibanje domenskih stijenki i povećati koercitivnost. Međutim, postizanje ujednačenog nanostrukturiranja bez uvođenja defekata ostaje izazovno.
- Kompozitni dizajn : Kombiniranje Sm₂Fe₁₇Nₓ s drugim magnetskim materijalima (npr. željeznim oksidima, feritima) za stvaranje hibridnih magneta može uravnotežiti cijenu i performanse. Na primjer, motor koji je dizajniralo Sveučilište Jiangsu koristio je kombinaciju NdFeB i feritnih magneta za smanjenje udjela rijetkih zemalja za 50% uz zadržavanje 91,6% izvornog okretnog momenta.
3. Usporedba s NdFeB magnetima
3.1 Metrike performansi
| Metrički | NdFeB magneti | α"-Fe₁₆N₂ (Teoretski) | α"-Fe₁₆N₂ (Eksperimentalno) | Sm₂Fe₁₇Nₓ |
|---|---|---|---|---|
| (BH)ₘₐₓ (MGOe) | 50–60 | >100 | 40 | 30–40 |
| Mₛ (emu/g) | 130–140 | 280 | ~200 | 120–130 |
| Hₐ (kOe) | 10–30 | Visoko (teoretski) | Nisko (eksperimentalno) | 10–20 |
| Tₐ (°C) | 310–400 | Nisko (<250) | Nisko (<250) | 700–800 |
| Otpornost na koroziju | Siromašno | Umjereno | Umjereno | Dobro |
3.2 Razmatranja troškova i resursa
- Ovisnost o rijetkim zemnim elementima : NdFeB magneti oslanjaju se na neodimij (Nd) i prazeodimij (Pr), koje je Europska unija klasificirala kao kritične sirovine zbog rizika u opskrbi. Nasuprot tome, Sm₂Fe₁₇Nₓ koristi samarij (Sm), koji je obilniji od Nd, a α"-Fe₁₆N₂ uopće ne sadrži rijetke zemlje.
- Troškovi sirovina : Na cijenu NdFeB magneta uvelike utječu cijene rijetkih zemalja, koje mogu značajno varirati. Očekuje se da će Sm₂Fe₁₇Nₓ magneti biti 20-30% jeftiniji od NdFeB magneta u velikim količinama, dok bi α"-Fe₁₆N₂ magneti mogli biti još jeftiniji ako se prevladaju izazovi masovne proizvodnje.
- Potencijal recikliranja : NdFeB magneti imaju dobro uspostavljenu infrastrukturu za recikliranje, sa stopom recikliranja većom od 90% u nekim regijama. Potencijal recikliranja Sm₂Fe₁₇Nₓ i α"-Fe₁₆N₂ magneta još se istražuje, ali njihov jednostavniji sastav može olakšati recikliranje.
4. Budući izgledi i izazovi
4.1 Tehnički izazovi
- α"-Fe₁₆N₂ : Primarni izazov je stabilizacija metastabilne faze na povišenim temperaturama. Istraživači istražuju dopiranje, premazivanje i mikrostrukturni inženjering kako bi poboljšali toplinsku stabilnost. Osim toga, povećanje sinteze na industrijske razine uz održavanje čistoće faze ostaje prepreka.
- Sm₂Fe₁₇Nₓ : Iako je industrijalizacija postignuta, potrebna su daljnja poboljšanja (BH)ₘₐₓ kako bi se mogao natjecati s visokokvalitetnim NdFeB magnetima. To zahtijeva napredak u inženjerstvu granica zrna, nanostrukturiranju i dizajnu kompozita.
4.2 Prihvaćanje na tržištu
- Automobilska industrija : Proizvođači električnih vozila pod pritiskom su da smanje troškove i ovisnost o rijetkim zemnim elementima. Sm₂Fe₁₇Nₓ magneti već se procjenjuju za upotrebu u vučnim motorima, gdje su njihova visoka Curiejeva temperatura i dobra otpornost na koroziju prednosti. α"-Fe₁₆N₂ magneti mogli bi pronaći nišne primjene u okruženjima niskih temperatura, kao što su automobilski senzori.
- Potrošačka elektronika : Trend miniaturizacije u elektronici zahtijeva magnete s visokom gustoćom magnetske energije. Dok NdFeB magneti trenutno dominiraju ovim tržištem, Sm₂Fe₁₇Nₓ i α"-Fe₁₆N₂ magneti mogli bi dobiti na popularnosti ako mogu dostići ili nadmašiti NdFeB performanse uz nižu cijenu.
- Obnovljiva energija : Vjetroturbine i drugi sustavi obnovljive energije zahtijevaju magnete koji mogu izdržati teške uvjete okoline. Izvrsna toplinska i kemijska stabilnost Sm₂Fe₁₇Nₓ čini ga jakim kandidatom za ove primjene.
4.3 Politika i čimbenici okoliša
- Regulatorna podrška : Vlade diljem svijeta potiču razvoj magneta koji nisu od rijetkih zemalja putem financiranja istraživanja i poreznih poticaja. Na primjer, Institut za kritične materijale Ministarstva energetike SAD-a dao je prioritet istraživanju Fe-N spojeva.
- Utjecaj na okoliš : Proizvodnja NdFeB magneta stvara značajan otpad i zahtijeva otrovne kemikalije za obradu. Nasuprot tome, Fe-N spojevi mogu se sintetizirati korištenjem ekološki prihvatljivijih metoda, smanjujući njihov utjecaj na okoliš.
5. Zaključak
Trajni magnetski materijali koji nisu rijetki zemni elementi, posebno spojevi željeza i dušika poput α"-Fe₁₆N₂ i Sm₂Fe₁₇Nₓ, predstavljaju obećavajuću alternativu NdFeB magnetima. Iako α"-Fe₁₆N₂ nudi teorijske prednosti u performansama, njegovu praktičnu primjenu otežavaju izazovi sinteze i stabilnosti. Sm₂Fe₁₇Nₓ, s druge strane, već je postigao industrijalizaciju i aktivno se primjenjuje u raznim sektorima.
Kratkoročno do srednjoročno, Sm₂Fe₁₇Nₓ magneti vjerojatno će osvojiti tržišni udio u primjenama gdje su troškovi i toplinska stabilnost prioritet nad maksimalnim magnetskim performansama. α"-Fe₁₆N₂ magneti mogli bi pronaći nišnu primjenu u okruženjima niskih temperatura nakon što se prevladaju njihovi proizvodni izazovi.
Dugoročno gledano, zamjena NdFeB magneta ovisit će o kontinuiranom istraživanju stabilizacije materijala, optimizacije performansi i smanjenja troškova. Uz održiva ulaganja i inovacije, trajni magnetski materijali koji nisu rijetki zemni elementi imaju potencijal revolucionirati industrije koje se oslanjaju na visokoučinkovite magnete, smanjujući ovisnost o rijetkim zemnim elementima i promovirajući održiviju budućnost.
