Quali sono i progressi della ricerca sui materiali magnetici permanenti non a base di terre rare (come i composti ferro-azoto)? Potranno sostituire i magneti al neodimio in futuro?

1. Introduzione

I magneti permanenti a base di terre rare, in particolare i magneti al neodimio (NdFeB), dominano il mercato dei magneti ad alte prestazioni grazie al loro ineguagliabile prodotto energetico magnetico (BH)ₘₐₓ, che può superare i 50 MGOe. Tuttavia, l'estrazione e la lavorazione degli elementi delle terre rare comportano costi ambientali significativi e le tensioni geopolitiche hanno portato a interruzioni della catena di approvvigionamento. Queste sfide hanno motivato la ricerca di materiali magnetici permanenti non a base di terre rare con prestazioni comparabili o superiori.

I composti ferro-azoto hanno attirato notevole attenzione perché l'azoto è abbondante, poco costoso e può migliorare significativamente le proprietà magnetiche delle leghe a base di ferro. I due composti Fe-N più studiati sono α"-Fe₁₆N₂ e Sm₂Fe₁₇Nₓ, ciascuno con vantaggi e sfide distinti.

2. Progressi nella ricerca sui composti ferro-azoto

2.1 α"-Fe₁₆N₂: il campione teorico

2.1.1 Proprietà magnetiche e potenziale teorico

α"-Fe₁₆N₂ è una fase metastabile del nitruro di ferro che si forma in condizioni specifiche. Studi teorici suggeriscono che possiede una magnetizzazione di saturazione (Mₛ) straordinariamente elevata, pari a circa 280 emu/g, e un'elevata energia di anisotropia magnetocristallina (K₁), che potrebbe portare a un (BH)ₘₐₓ superiore a 100 MGOe, ovvero quasi il doppio di quello dei magneti NdFeB. Ciò rende α"-Fe₁₆N₂ un candidato estremamente interessante per applicazioni magnetiche ad alte prestazioni.

2.1.2 Sfide di sintesi

Nonostante le sue promesse teoriche, la sintesi di α'-Fe₁₆N₂ si è dimostrata estremamente impegnativa. Il composto è metastabile e si decompone facilmente a temperature superiori a 200–250 °C. Inoltre, raggiungere la stechiometria precisa (Fe:N ≈ 16:2) è fondamentale, poiché eventuali deviazioni portano alla formazione di fasi meno desiderabili come γ'-Fe₄N o ε-Fe₃N. Sono stati esplorati vari metodi di sintesi, tra cui:

• Nitrurazione in fase gassosa : comporta l'esposizione di film o polveri di ferro a gas contenenti azoto (ad esempio, miscele di NH₃, N₂/H₂) a temperature e pressioni controllate. Tuttavia, ottenere una nitrurazione uniforme e prevenire la decomposizione di fase rimane difficile.
• Lega meccanica : la macinazione a sfere ad alta energia di composti contenenti ferro e azoto (ad esempio Fe e NaN₃) può produrre α"-Fe₁₆N₂ nanocristallino, ma il processo è lungo e soggetto a contaminazione.
• Impiantazione ionica : gli ioni azoto vengono impiantati in substrati di ferro, seguiti da ricottura per formare α"-Fe₁₆N₂. Questo metodo offre un controllo preciso sulla concentrazione di azoto, ma è limitato a film sottili e alla produzione su piccola scala.

2.1.3 Recenti scoperte

Nel 2023, un'azienda statunitense ha affermato di aver prodotto magneti α"-Fe₁₆N₂ con un (BH)ₘₐₓ di 40 MGOe, dimostrandone il potenziale nelle applicazioni motorie. Tuttavia, è stato segnalato che questi magneti presentano una stabilità termica inferiore rispetto ai magneti NdFeB, limitandone l'uso in ambienti ad alta temperatura. I ricercatori si stanno ora concentrando sulla stabilizzazione dell'α"-Fe₁₆N₂ mediante drogaggio con altri elementi (ad esempio, Ti, V) o incapsulandolo in rivestimenti protettivi per migliorarne la stabilità termica e chimica.

2.2 Sm₂Fe₁₇Nₓ: il contendente pratico

2.2.1 Struttura cristallina e proprietà magnetiche

Sm₂Fe₁₇Nₓ appartiene alla struttura romboedrica di tipo Th₂Zn₁₇, in cui gli atomi di azoto occupano siti interstiziali nel reticolo di Sm₂Fe₁₇. La nitrurazione migliora significativamente le proprietà magnetiche di Sm₂Fe₁₇:

• Aumento della magnetizzazione di saturazione (Mₛ) dovuto al trasferimento della densità di spin elettronico dall'azoto al ferro.
• Aumentando la temperatura di Curie (Tₐ) da ~390°C (Sm₂Fe₁₇) a ~800°C (Sm₂Fe₁₇Nₓ), migliorando la stabilità termica.
• Miglioramento della coercitività (Hₐ) mediante il fissaggio delle pareti del dominio mediante distorsioni reticolari indotte dall'azoto.

I magneti Sm₂Fe₁₇Nₓ disponibili in commercio hanno in genere un (BH)ₘₐₓ di 30–40 MGOe, che è inferiore a quello di NdFeB ma comunque adatto a molte applicazioni, tra cui motori per veicoli elettrici, azionamenti industriali e altoparlanti audio.

2.2.2 Progresso dell'industrializzazione

La Cina ha assunto un ruolo guida nell'industrializzazione dei magneti Sm₂Fe₁₇Nₓ, con aziende come Ningxia Junci New Materials Technology Co., Ltd. (Junci Magvalley) che hanno raggiunto risultati rivoluzionari nella produzione su larga scala. Junci Magvalley ha sviluppato un processo proprietario di metallurgia delle polveri per la produzione di polveri magnetiche Sm₂Fe₁₇Nₓ ad alte prestazioni, con una capacità produttiva annua superiore a 100 tonnellate. L'azienda ha inoltre collaborato con produttori a valle per sviluppare motori a base di Sm₂Fe₁₇Nₓ per veicoli a nuova energia e automazione industriale.

In Giappone, Sumitomo Metal Mining Co., Ltd. e Nichia Chemical Industries Co., Ltd. hanno industrializzato la produzione di Sm₂Fe₁₇Nₓ utilizzando processi di riduzione-diffusione. Queste aziende hanno raggiunto un'elevata costanza di prodotto e forniscono magneti in Sm₂Fe₁₇Nₓ a produttori di componenti elettronici e automobilistici.

2.2.3 Ottimizzazione delle prestazioni

Per competere con i magneti NdFeB, i ricercatori si stanno concentrando sul miglioramento del (BH)ₘₐₓ di Sm₂Fe₁₇Nₓ attraverso:

• Diffusione del bordo del grano (GBD) : rivestimento di particelle di Sm₂Fe₁₇Nₓ con elementi di terre rare pesanti (ad esempio, Dy, Tb) per migliorare la coercività senza ridurre significativamente la rimanenza. Questo approccio è stato applicato con successo ai magneti NdFeB e ora viene adattato anche per Sm₂Fe₁₇Nₓ.
• Nanostrutturazione : ridurre la dimensione dei grani di Sm₂Fe₁₇Nₓ alla scala nanometrica può sopprimere il movimento delle pareti dei domini e aumentare la coercitività. Tuttavia, ottenere una nanostrutturazione uniforme senza introdurre difetti rimane una sfida.
• Progettazione composita : la combinazione di Sm₂Fe₁₇Nₓ con altri materiali magnetici (ad esempio, ossidi di ferro, ferriti) per formare magneti ibridi può bilanciare costi e prestazioni. Ad esempio, un motore progettato dall'Università di Jiangsu ha utilizzato una combinazione di magneti in NdFeB e ferrite per ridurre il contenuto di terre rare del 50%, mantenendo il 91,6% della coppia originale.

3. Confronto con i magneti NdFeB

3.1 Metriche delle prestazioni

3.2 Considerazioni sui costi e sulle risorse

• Dipendenza dalle terre rare : i magneti NdFeB utilizzano neodimio (Nd) e praseodimio (Pr), classificati dall'Unione Europea come materie prime critiche a causa dei rischi di approvvigionamento. Al contrario, Sm₂Fe₁₇Nₓ utilizza il samario (Sm), che è più abbondante di Nd, e α"-Fe₁₆N₂ è completamente privo di terre rare.
• Costi delle materie prime : il costo dei magneti NdFeB è fortemente influenzato dai prezzi delle terre rare, che possono fluttuare in modo significativo. Si prevede che i magneti Sm₂Fe₁₇Nₓ saranno più economici del 20-30% rispetto ai magneti NdFeB su larga scala, mentre i magneti α"-Fe₁₆N₂ potrebbero essere ancora più economici se si superassero le sfide della produzione di massa.
• Potenziale di riciclaggio : i magneti NdFeB hanno un'infrastruttura di riciclaggio consolidata, con tassi di riciclaggio superiori al 90% in alcune regioni. Il potenziale di riciclaggio dei magneti Sm₂Fe₁₇Nₓ e α"-Fe₁₆N₂ è ancora in fase di studio, ma le loro composizioni più semplici potrebbero facilitarne il riciclaggio.

4. Prospettive future e sfide

4.1 Sfide tecniche

• α"-Fe₁₆N₂ : la sfida principale è stabilizzare la fase metastabile a temperature elevate. I ricercatori stanno esplorando il drogaggio, il rivestimento e l'ingegneria microstrutturale per migliorare la stabilità termica. Inoltre, portare la sintesi a livelli industriali mantenendo la purezza della fase rimane un ostacolo.
• Sm₂Fe₁₇Nₓ : sebbene l'industrializzazione sia stata raggiunta, sono necessari ulteriori miglioramenti nel (BH)ₘₐₓ per competere con i magneti NdFeB di alta qualità. Ciò richiede progressi nell'ingegneria dei bordi dei grani, nella nanostrutturazione e nella progettazione di materiali compositi.

4.2 Adozione del mercato

• Industria automobilistica : i produttori di veicoli elettrici sono sotto pressione per ridurre i costi e la dipendenza dalle terre rare. I magneti Sm₂Fe₁₇Nₓ sono già in fase di valutazione per l'impiego nei motori di trazione, dove la loro elevata temperatura di Curie e la buona resistenza alla corrosione risultano vantaggiose. I magneti α"-Fe₁₆N₂ potrebbero trovare applicazioni di nicchia in ambienti a bassa temperatura, come i sensori automobilistici.
• Elettronica di consumo : la tendenza alla miniaturizzazione nell'elettronica richiede magneti con elevata densità di energia magnetica. Mentre i magneti NdFeB attualmente dominano questo mercato, i magneti Sm₂Fe₁₇Nₓ e α"-Fe₁₆N₂ potrebbero guadagnare terreno se riuscissero a eguagliare o superare le prestazioni dei magneti NdFeB a un costo inferiore.
• Energie rinnovabili : le turbine eoliche e altri sistemi di energia rinnovabile richiedono magneti in grado di resistere a condizioni ambientali difficili. L'eccellente stabilità termica e chimica di Sm₂Fe₁₇Nₓ lo rende un ottimo candidato per queste applicazioni.

4.3 Fattori politici e ambientali

• Supporto normativo : i governi di tutto il mondo stanno promuovendo lo sviluppo di magneti non a base di terre rare attraverso finanziamenti per la ricerca e incentivi fiscali. Ad esempio, il Critical Materials Institute del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti ha dato priorità alla ricerca sui composti Fe-N.
• Impatto ambientale : la produzione di magneti NdFeB genera ingenti rifiuti e richiede l'impiego di sostanze chimiche tossiche per la lavorazione. Al contrario, i composti Fe-N possono essere sintetizzati utilizzando metodi più ecologici, riducendo così l'impatto ambientale.

5. Conclusion

I materiali magnetici permanenti non a base di terre rare, in particolare composti ferro-azoto come α"-Fe₁₆N₂ e Sm₂Fe₁₇Nₓ, rappresentano un'alternativa promettente ai magneti NdFeB. Mentre α"-Fe₁₆N₂ offre vantaggi teorici in termini di prestazioni, la sua applicazione pratica è ostacolata da problemi di sintesi e stabilità. Sm₂Fe₁₇Nₓ, d'altra parte, ha già raggiunto l'industrializzazione e viene attivamente adottato in vari settori.

Nel breve e medio termine, è probabile che i magneti Sm₂Fe₁₇Nₓ acquisiscano quote di mercato in applicazioni in cui il costo e la stabilità termica sono prioritari rispetto alle massime prestazioni magnetiche. I magneti α"-Fe₁₆N₂ potrebbero trovare utilizzi di nicchia in ambienti a bassa temperatura una volta superate le sfide produttive.

A lungo termine, la sostituzione dei magneti NdFeB dipenderà dalla continua ricerca sulla stabilizzazione dei materiali, sull'ottimizzazione delle prestazioni e sulla riduzione dei costi. Con investimenti e innovazione costanti, i materiali magnetici permanenti non a base di terre rare hanno il potenziale per rivoluzionare i settori che dipendono dai magneti ad alte prestazioni, riducendo la dipendenza dagli elementi delle terre rare e promuovendo un futuro più sostenibile.