In che modo la struttura cristallina (ad esempio il sistema cristallino tetragonale) del neodimio ferro boro influenza le sue proprietà magnetiche?

1. Struttura cristallina tetragonale e disposizione atomica

I magneti NdFeB sono composti principalmente dalla fase Nd₂Fe₁₄B, che cristallizza in una struttura tetragonale (gruppo spaziale  P4₂/mnm ). Questa struttura è caratterizzata da:

• Strati alternati di atomi di Fe e Nd-B : Gli atomi di Fe occupano più siti cristallografici (ad esempio, 16k, 9d, 4f), formando una rete tridimensionale che contribuisce al momento magnetico. Gli atomi Nd e B sono intervallati tra questi strati, con Nd che fornisce forti interazioni di scambio e B che stabilizza la struttura attraverso legami covalenti.
• Simmetria uniassiale : Il sistema tetragonale ha un singolo asse preferito (l'asse c) lungo il quale sono impilati i piani atomici. Questa simmetria porta a  forte anisotropia magnetocristallina uniassiale , il che significa che il magnete preferisce allineare la sua magnetizzazione lungo l'asse c e resiste alla magnetizzazione in altre direzioni.

2. Anisotropia e coercività magnetocristallina

La struttura tetragonale di Nd₂Fe₁₄B presenta una delle costanti di anisotropia magnetocristallina più elevate ( K₁ &asimp; 4.5 × 10⁶ J/m³ ) tra i materiali magnetici noti. Questa anisotropia deriva da:

• Accoppiamento spin-orbita negli atomi di Nd : Gli elettroni 4f di Nd hanno forti interazioni spin-orbita, che bloccano i momenti magnetici degli ioni Nd al reticolo cristallino. Ciò crea una grande barriera energetica per la rotazione della magnetizzazione lontano dall'asse c, aumentando la coercitività.
• Interazioni di scambio Fe-Nd : Gli atomi di Fe contribuiscono alla maggior parte del momento magnetico (≈3.5 μB per unità di formula), mentre gli atomi di Nd mediano forti interazioni di scambio tra strati di Fe. Queste interazioni stabilizzano l'ordine magnetico e resistono alla smagnetizzazione.

L'elevata coercitività dei magneti NdFeB (fino a 2,4 T) è direttamente legata a questa anisotropia. Senza di essa, il magnete sarebbe più soggetto a smagnetizzazione dovuta a campi esterni o a fluttuazioni termiche.

3. Struttura del bordo del grano e isolamento magnetico

Nei magneti NdFeB pratici, i grani Nd₂Fe₁₄B sono separati da una sottile fase di confine del grano ricca di Nd (ad esempio, Nd-O, Nd-H). Questa fase svolge un duplice ruolo:

• Isolamento magnetico : La fase di confine del grano non magnetica riduce l'accoppiamento di scambio intergranulare, consentendo a ciascun grano di agire come un magnete indipendente. Ciò aumenta la coercitività impedendo la smagnetizzazione collettiva.
• Resistenza alla corrosione : La fase ricca di Nd può ossidarsi o reagire con l'umidità, ma i moderni trattamenti superficiali (ad esempio, nichelatura, rivestimenti epossidici) attenuano questo problema.

Recenti progressi in  diffusione al contorno del grano (GBD)  tecniche (ad esempio, lo sputtering di leghe Dy₇₀Cu₁₅Ga₁₅ su superfici magnetiche) hanno ulteriormente migliorato la coercività ottimizzando la composizione del confine del grano. Questi trattamenti introducono elementi pesanti delle terre rare (Dy, Tb) nei bordi dei grani, formando fasi (Nd,Dy)₂Fe₁₄B con campi di anisotropia ancora più elevati.

4. Dipendenza dalla temperatura delle proprietà magnetiche

La struttura tetragonale del NdFeB influenza anche la sua stabilità alla temperatura:

• Temperatura di Curie ( T _C ) : La fase Nd₂Fe₁₄B ha una  T _C &asimp; 585 K (312 °C), al di sopra del quale perde ferromagnetismo. Questo è relativamente alto rispetto ad altri magneti di terre rare (ad esempio, SmCo₅ ha  T _C &asimp; 1070 K ma prodotto energetico inferiore).
• Smagnetizzazione termica :A temperature elevate, l'energia termica può superare la barriera energetica dell'anisotropia, causando una smagnetizzazione irreversibile. Ciò limita la temperatura massima di esercizio dei magneti NdFeB a &asimp;150–200 °C (a seconda del grado).

Per migliorare le prestazioni ad alta temperatura, i produttori spesso aggiungono Dy o Tb alla fase Nd₂Fe₁₄B, il che aumenta la coercività a scapito della rimanenza (a causa del momento magnetico inferiore di Dy/Tb rispetto a Nd).

5. Confronto con altre strutture cristalline

La struttura tetragonale di NdFeB è superiore ad altri sistemi cristallini per magneti permanenti:

• Strutture esagonali (ad esempio, SmCo₅) : Sebbene i magneti SmCo abbiano un'eccellente stabilità della temperatura, la loro simmetria esagonale determina una minore anisotropia magnetocristallina rispetto a NdFeB, limitando il loro prodotto energetico massimo ( BH _massimo  &asimp; 30 MGOe vs. 55 MGOe per NdFeB).
• Strutture cubiche (ad esempio, ferriti) : I magneti cubici (ad esempio, SrFe₁₂O₁₉) hanno un'anisotropia e prodotti energetici molto più bassi (&asimp;4 MGOe) a causa della loro simmetria isotropa, il che li rende inadatti per applicazioni ad alte prestazioni.

6. Implicazioni pratiche

La struttura tetragonale del NdFeB ne consente l'utilizzo in:

• Motori per veicoli elettrici : L'elevata coercitività e il prodotto energetico consentono progetti compatti e leggeri.
• turbine eoliche : Resistenza alla smagnetizzazione sotto carichi e temperature variabili.
• Immagini mediche (RM) : Campi potenti e stabili per immagini ad alta risoluzione.

Tuttavia, la struttura pone anche delle sfide:

• Fragilità : La fase tetragonale è meccanicamente fragile e richiede una manipolazione attenta durante la produzione.
• Costo : Gli elementi pesanti delle terre rare (Dy, Tb) utilizzati per migliorare le prestazioni ad alta temperatura sono costosi e soggetti a rischi per la catena di approvvigionamento.

Conclusione

La struttura cristallina tetragonale del NdFeB è il fondamento delle sue prestazioni magnetiche. La sua simmetria uniassiale, la forte anisotropia magnetocristallina e la struttura ottimizzata dei bordi dei grani consentono nel complesso elevati valori di coercitività, rimanenza e prodotto energetico. Sebbene permangano sfide quali la sensibilità alla temperatura e la fragilità, i progressi nell'ingegneria dei materiali (ad esempio, trattamenti GBD, produzione additiva) continuano a spingere i limiti di questo straordinario sistema magnetico. Comprendere le relazioni struttura-proprietà dell'NdFeB è essenziale per progettare magneti di nuova generazione per applicazioni nei settori dell'energia, dei trasporti e dell'assistenza sanitaria.