Сен Магнет - Глобален производител на материјали за постојан магнети & Снабдувач над 20 години.
Каков е напредокот во истражувањето на трајните магнетни материјали што не се ретки земји (како што се соединенијата на железо-азот)? Дали тие можат да ги заменат неодимиумските магнети во иднина?
1. Вовед
Ретките земни трајни магнети, особено NdFeB магнетите, доминираат на пазарот на високо-перформансни магнети поради нивниот неспоредлив производ на магнетна енергија (BH)ₘₐₓ, кој може да надмине 50 MGOe. Сепак, екстракцијата и преработката на ретки земни елементи вклучуваат значителни еколошки трошоци, а геополитичките тензии доведоа до прекини во синџирот на снабдување. Овие предизвици го мотивираа истражувањето на трајни магнетни материјали кои не се ретки земни со споредливи или супериорни перформанси.
Соединенијата на железо-азот привлекоа значително внимание бидејќи азотот е изобилен, ефтин и може значително да ги подобри магнетните својства на легурите на база на железо. Двете најпроучувани соединенија на Fe-N се α"-Fe₁₆N₂ и Sm₂Fe₁₇Nₓ, секое со различни предности и предизвици.
2. Напредок во истражувањето на соединенијата на железо-азот
2.1 α"-Fe₁₆N₂: Теоретскиот шампион
2.1.1 Магнетни својства и теоретски потенцијал
α"-Fe₁₆N₂ е метастабилна фаза на железен нитрид што се формира под специфични услови. Теоретските студии сугерираат дека поседува извонредно висока магнетизација на сатурација (Mₛ) од приближно 280 emu/g и голема енергија на магнетокристална анизотропија (K₁), што би можело да доведе до (BH)ₘₐₓ што надминува 100 MGOe - речиси двојно поголема од онаа на NdFeB магнетите. Ова го прави α"-Fe₁₆N₂ многу привлечен кандидат за високо-перформансни магнетни апликации.
2.1.2 Предизвици на синтезата
И покрај теоретските ветувања, синтезата на α"-Fe₁₆N₂ се покажа како исклучително предизвикувачка. Соединението е метастабилно и лесно се распаѓа на температури над 200–250°C. Покрај тоа, постигнувањето на прецизна стехиометрија (Fe:N ≈ 16:2) е клучно, бидејќи отстапувањата резултираат со формирање на помалку посакувани фази како γ'-Fe₄N или ε-Fe₃N. Истражени се различни методи на синтеза, вклучувајќи:
- Нитридација во гасна фаза : Вклучува изложување на филмови или прашоци од железо на гасови што содржат азот (на пр., мешавини од NH₃, N₂/H₂) при контролирани температури и притисоци. Сепак, постигнувањето на униформна нитридација и спречувањето на фазно распаѓање останува тешко.
- Механичко легирање : Топчесто мелење со висока енергија на железо и соединенија што содржат азот (на пр., Fe и NaN₃) може да произведе нанокристален α"-Fe₁₆N₂, но процесот е долготрајно и склонен кон контаминација.
- Јонска имплантација : Азотните јони се имплантираат во железни супстрати, по што се жарат за да се формира α"-Fe₁₆N₂. Овој метод нуди прецизна контрола врз концентрацијата на азот, но е ограничен на тенки филмови и производство во мал обем.
2.1.3 Неодамнешни откритија
Во 2023 година, компанија со седиште во САД тврдеше дека произвела α"-Fe₁₆N₂ магнети со (BH)ₘₐₓ од 40 MGOe, демонстрирајќи го нивниот потенцијал во моторни апликации. Сепак, беше објавено дека овие магнети имаат помала термичка стабилност од NdFeB магнетите, што ја ограничува нивната употреба во средини со висока температура. Истражувачите сега се фокусираат на стабилизирање на α"-Fe₁₆N₂ преку допирање со други елементи (на пр., Ti, V) или капсулирање во заштитни премази за да се подобри неговата термичка и хемиска стабилност.
2,2 Sm₂Fe₁₇Nₓ: Практичниот кандидат
2.2.1 Кристална структура и магнетни својства
Sm₂Fe₁₇Nₓ припаѓа на ромбоедарската структура од типот Th₂Zn₁₇, каде што атомите на азот зафаќаат меѓусебни места во решетката Sm₂Fe₁₇. Нитридацијата значително ги подобрува магнетните својства на Sm₂Fe₁₇ преку:
- Зголемување на магнетизацијата на сатурацијата (Mₛ) поради преносот на густината на спинот на електроните од азот на железо.
- Зголемување на Кириевата температура (Tₐ) од ~390°C (Sm₂Fe₁₇) на ~800°C (Sm₂Fe₁₇Nₓ), подобрувајќи ја термичката стабилност.
- Зголемување на коерцитивноста (Hₐ) преку закачување на ѕидовите на домените со дисторзии на решетката предизвикани од азот.
Комерцијално достапните Sm₂Fe₁₇Nₓ магнети обично имаат (BH)ₘₐₓ од 30–40 MGOe, што е пониско од NdFeB, но сепак е погодно за многу апликации, вклучувајќи мотори за електрични возила, индустриски погони и аудио звучници.
2.2.2 Напредок на индустријализацијата
Кина ја презеде водечката улога во индустријализацијата на Sm₂Fe₁₇Nₓ магнетите, а компании како Ningxia Junci New Materials Technology Co., Ltd. (Junci Magvalley) постигнаа пробиви во производството на големи размери. Junci Magvalley разви патентиран процес на прашкаста металургија за производство на високо-перформансни магнетни прашоци Sm₂Fe₁₇Nₓ, со годишен производствен капацитет што надминува 100 тони. Компанијата, исто така, соработуваше со производители од пониските нивоа на производство за развој на мотори базирани на Sm₂Fe₁₇Nₓ за возила со нова енергија и индустриска автоматизација.
Во Јапонија, „Сумитомо Метал Мајнинг Ко., Лтд.“ и „Ничија Кемикал Индустрис Ко., Лтд.“, исто така, го индустријализираа производството на Sm₂Fe₁₇Nₓ користејќи процеси на редукција-дифузија. Овие компании постигнаа висока конзистентност на производот и испорачуваат магнети од Sm₂Fe₁₇Nₓ на производители на автомобили и електроника.
2.2.3 Оптимизација на перформансите
За да се натпреваруваат со NdFeB магнетите, истражувачите се фокусираат на подобрување на (BH)ₘₐₓ на Sm₂Fe₁₇Nₓ преку:
- Гранична дифузија на зрна (GBD) : Обложување на честички Sm₂Fe₁₇Nₓ со тешки ретки земни елементи (на пр., Dy, Tb) за подобрување на коерцитивноста без значително намалување на преостанатата густина. Овој пристап е успешно применет кај NdFeB магнети и сега се адаптира за Sm₂Fe₁₇Nₓ.
- Наноструктурирање : Намалувањето на големината на зрната на Sm₂Fe₁₇Nₓ на нанометарска скала може да го потисне движењето на ѕидот на домените и да ја зголеми коерцитивноста. Сепак, постигнувањето на униформно наноструктурирање без воведување дефекти останува предизвик.
- Композитен дизајн : Комбинирањето на Sm₂Fe₁₇Nₓ со други магнетни материјали (на пр., железни оксиди, ферити) за формирање хибридни магнети може да ги балансира трошоците и перформансите. На пример, мотор дизајниран од Универзитетот Џангсу користел комбинација од NdFeB и феритни магнети за да ја намали содржината на ретки земни елементи за 50%, а воедно да одржи 91,6% од оригиналниот излезен вртежен момент.
3. Споредба со NdFeB магнети
3.1 Метрики за перформанси
| Метрика | NdFeB магнети | α"-Fe₁₆N₂ (теоретски) | α"-Fe₁₆N₂ (Експериментално) | Sm₂Fe₁₇Nₓ |
|---|---|---|---|---|
| (BH)ₘₐₓ (MGOe) | 50–60 | >100 | 40 | 30–40 |
| Mₛ (ему/г) | 130–140 | 280 | ~200 | 120–130 |
| Hₐ (kOe) | 10–30 | Висок (теоретски) | Ниско (експериментално) | 10–20 |
| Tₐ (°C) | 310–400 | Ниско (<250) | Ниско (<250) | 700–800 |
| Отпорност на корозија | Сиромашен | Умерено | Умерено | Добро |
3.2 Размислувања за трошоците и ресурсите
- Зависност од ретки земји : NdFeB магнетите се потпираат на неодимиум (Nd) и празеодимиум (Pr), кои се класифицирани како критични суровини од страна на Европската Унија поради ризици во снабдувањето. Спротивно на тоа, Sm₂Fe₁₇Nₓ користи самариум (Sm), кој е позастапен од Nd, а α"-Fe₁₆N₂ е целосно без ретки земји.
- Цени на суровини : Цената на NdFeB магнетите е во голема мера под влијание на цените на ретките земјини метали, кои можат значително да варираат. Се очекува магнетите Sm₂Fe₁₇Nₓ да бидат 20-30% поевтини од магнетите NdFeB на големо, додека α"-Fe₁₆N₂ магнетите би можеле да бидат уште поевтини ако се надминат предизвиците со масовното производство.
- Потенцијал за рециклирање : NdFeB магнетите имаат добро воспоставена инфраструктура за рециклирање, со стапки на рециклирање кои надминуваат 90% во некои региони. Потенцијалот за рециклирање на Sm₂Fe₁₇Nₓ и α"-Fe₁₆N₂ магнетите сè уште се истражува, но нивните поедноставни состави може да го олеснат рециклирањето.
4. Идни перспективи и предизвици
4.1 Технички предизвици
- α"-Fe₁₆N₂ : Примарниот предизвик е стабилизирање на метастабилната фаза на покачени температури. Истражувачите истражуваат допирање, премачкување и микроструктурно инженерство за да ја подобрат термичката стабилност. Дополнително, зголемувањето на синтезата на индустриско ниво, а воедно и одржувањето на чистотата на фазата, останува пречка.
- Sm₂Fe₁₇Nₓ : Иако е постигната индустријализација, потребни се понатамошни подобрувања во (BH)ₘₐₓ за да се натпреваруваат со висококвалитетните NdFeB магнети. Ова бара напредок во инженерството за граници на зрната, наноструктурирањето и дизајнот на композити.
4.2 Прифаќање на пазарот
- Автомобилска индустрија : Производителите на електрични возила се под притисок да ги намалат трошоците и зависноста од ретки земни елементи. Sm₂Fe₁₇Nₓ магнетите веќе се оценуваат за употреба во влечни мотори, каде што нивната висока Кириева температура и добрата отпорност на корозија се предност. α"-Fe₁₆N₂ магнетите би можеле да најдат нишна примена во средини со ниска температура, како што се автомобилските сензори.
- Потрошувачка електроника : Трендот на минијатуризација во електрониката бара магнети со висока густина на магнетна енергија. Додека NdFeB магнетите моментално доминираат на овој пазар, Sm₂Fe₁₇Nₓ и α"-Fe₁₆N₂ магнетите би можеле да добијат на интензитет ако можат да ги достигнат или надминат перформансите на NdFeB по пониска цена.
- Обновлива енергија : Ветерните турбини и другите системи за обновлива енергија бараат магнети кои можат да издржат сурови услови на животната средина. Одличната термичка и хемиска стабилност на Sm₂Fe₁₇Nₓ го прави силен кандидат за овие апликации.
4.3 Политика и фактори на животната средина
- Регулаторна поддршка : Владите ширум светот го промовираат развојот на магнети кои не се од ретки земни елементи преку финансирање на истражувања и даночни олеснувања. На пример, Институтот за критични материјали при Министерството за енергетика на САД даде приоритет на истражувањата за соединенија на Fe-N.
- Влијание врз животната средина : Производството на NdFeB магнети генерира значителен отпад и бара токсични хемикалии за преработка. Спротивно на тоа, соединенијата Fe-N можат да се синтетизираат со користење на позелени методи, со што се намалува нивниот еколошки отпечаток.
5. Заклучок
Перманентните магнетни материјали кои не се од ретки земји, особено соединенијата на железо-азот како α"-Fe₁₆N₂ и Sm₂Fe₁₇Nₓ, претставуваат ветувачка алтернатива на NdFeB магнетите. Додека α"-Fe₁₆N₂ нуди теоретски предности во перформансите, неговата практична примена е попречена од предизвиците во синтезата и стабилноста. Sm₂Fe₁₇Nₓ, од друга страна, веќе достигна индустријализација и активно се применува во различни сектори.
На краток до среден рок, магнетите Sm₂Fe₁₇Nₓ веројатно ќе добијат пазарен удел во апликации каде што цената и термичката стабилност се приоритетни пред максималните магнетни перформанси. α"-Fe₁₆N₂ магнетите можат да најдат нишна употреба во средини со ниска температура откако ќе се надминат нивните производствени предизвици.
На долг рок, замената на NdFeB магнетите ќе зависи од континуирано истражување за стабилизација на материјалите, оптимизација на перформансите и намалување на трошоците. Со одржливи инвестиции и иновации, трајните магнетни материјали кои не се од ретки земјени елементи имаат потенцијал да ги револуционизираат индустриите кои се потпираат на високо-перформансни магнети, намалувајќи ја зависноста од ретки земјени елементи и промовирајќи поодржлива иднина.
