Senz Magnet - Глобальный производитель материалов для постоянных магнитов & Поставщик более 20 лет.
Каковы успехи исследований постоянных магнитных материалов, не содержащих редкоземельных элементов (например, соединений железа и азота)? Могут ли они в будущем заменить неодимовые магниты?
1. Введение
Редкоземельные постоянные магниты, особенно магниты NdFeB, доминируют на рынке высокопроизводительных магнитов благодаря своему непревзойденному магнитному произведению (BH)ₘₐₓ, которое может превышать 50 МГсЭ. Однако добыча и переработка редкоземельных элементов сопряжены со значительными экологическими затратами, а геополитическая напряженность привела к сбоям в цепочке поставок. Эти проблемы стимулировали исследования нередкоземельных постоянных магнитов с сопоставимыми или превосходящими характеристиками.
Соединения железа с азотом привлекают значительное внимание, поскольку азот широко распространен, недорог и может значительно улучшить магнитные свойства сплавов на основе железа. Два наиболее изученных соединения Fe-N — это α"-Fe₁₆N₂ и Sm₂Fe₁₇Nₓ, каждое из которых имеет свои преимущества и недостатки.
2. Прогресс в исследованиях соединений железа и азота
2.1 α"-Fe₁₆N₂: теоретический чемпион
2.1.1 Магнитные свойства и теоретический потенциал
α"-Fe₁₆N₂ — метастабильная фаза нитрида железа, образующаяся при определённых условиях. Теоретические исследования показывают, что она обладает чрезвычайно высокой намагниченностью насыщения (Mₛ), приблизительно равной 280 эме/г, и большой энергией магнитокристаллической анизотропии (K₁), что может привести к значению (BH)ₘₐₓ, превышающему 100 МГсЭ — почти вдвое больше, чем у магнитов NdFeB. Это делает α"-Fe₁₆N₂ весьма привлекательным кандидатом для применения в высокопроизводительных магнитах.
2.1.2 Проблемы синтеза
Несмотря на теоретические перспективы, синтез α''-Fe₁₆N₂ оказался чрезвычайно сложным. Это соединение метастабильно и легко разлагается при температурах выше 200–250 °C. Более того, достижение точной стехиометрии (Fe:N ≈ 16:2) имеет решающее значение, поскольку отклонения приводят к образованию менее желательных фаз, таких как γ'-Fe₄N или ε-Fe₃N. Были исследованы различные методы синтеза, включая:
- Газофазное азотирование : процесс включает в себя воздействие на железные плёнки или порошки азотсодержащих газов (например, NH₃, смесей N₂/H₂) при контролируемых температурах и давлениях. Однако достижение равномерного азотирования и предотвращение фазового распада остаётся сложной задачей.
- Механическое легирование : высокоэнергетическое шаровое измельчение соединений железа и азота (например, Fe и NaN₃) может привести к получению нанокристаллического α"-Fe₁₆N₂, но этот процесс занимает много времени и подвержен загрязнению.
- Ионная имплантация : ионы азота имплантируются в железные подложки с последующим отжигом для образования α"-Fe₁₆N₂. Этот метод обеспечивает точный контроль концентрации азота, но ограничен тонкими пленками и мелкосерийным производством.
2.1.3 Недавние прорывы
В 2023 году американская компания заявила о производстве магнитов α"-Fe₁₆N₂ с магнитной проницаемостью (BH)ₘₐₓ 40 МГсЭ, продемонстрировав их потенциал для применения в двигателях. Однако сообщалось, что эти магниты обладают более низкой термостойкостью, чем магниты NdFeB, что ограничивает их применение в условиях высоких температур. В настоящее время исследователи сосредоточены на стабилизации α"-Fe₁₆N₂ путем легирования другими элементами (например, Ti, V) или заключения его в защитные покрытия для повышения его термической и химической стабильности.
2.2 Sm₂Fe₁₇Nₓ: Практический претендент
2.2.1 Кристаллическая структура и магнитные свойства
Sm₂Fe₁₇Nₓ относится к ромбоэдрическому типу Th₂Zn₁₇, где атомы азота занимают междоузлия в решётке Sm₂Fe₁₇. Азотирование значительно улучшает магнитные свойства Sm₂Fe₁₇ за счёт:
- Увеличение намагниченности насыщения (Mₛ) за счет переноса электронной спиновой плотности от азота к железу.
- Повышение температуры Кюри (Tₐ) с ~390°C (Sm₂Fe₁₇) до ~800°C (Sm₂Fe₁₇Nₓ), улучшение термической стабильности.
- Увеличение коэрцитивной силы (Hₐ) путем закрепления доменных стенок искажениями решетки, вызванными азотом.
Коммерчески доступные магниты Sm₂Fe₁₇Nₓ обычно имеют (BH)ₘₐₓ 30–40 МГсЭ, что ниже, чем у NdFeB, но все еще подходит для многих применений, включая двигатели электромобилей, промышленные приводы и аудиодинамики.
2.2.2 Прогресс индустриализации
Китай занял лидирующие позиции в индустриализации магнитов Sm₂Fe₁₇Nₓ. Такие компании, как Ningxia Junci New Materials Technology Co., Ltd. (Junci Magvalley), добились прорывов в крупномасштабном производстве. Junci Magvalley разработала запатентованный метод порошковой металлургии для производства высокопроизводительных магнитных порошков Sm₂Fe₁₇Nₓ с годовой производительностью более 100 тонн. Компания также сотрудничает с производителями последующих этапов переработки для разработки двигателей на основе Sm₂Fe₁₇Nₓ для транспортных средств на новых источниках энергии и промышленной автоматизации.
В Японии компании Sumitomo Metal Mining Co., Ltd. и Nichia Chemical Industries Co., Ltd. также освоили промышленное производство Sm₂Fe₁₇Nₓ с использованием восстановительно-диффузионных процессов. Эти компании добились высокой стабильности качества продукции и поставляют магниты Sm₂Fe₁₇Nₓ производителям автомобилей и электроники.
2.2.3 Оптимизация производительности
Чтобы конкурировать с магнитами NdFeB, исследователи сосредотачиваются на улучшении (BH)ₘₐₓ Sm₂Fe₁₇Nₓ посредством:
- Зерноградиметрическая диффузия (ЗГД) : покрытие частиц Sm₂Fe₁₇Nₓ тяжёлыми редкоземельными элементами (например, Dy, Tb) для повышения коэрцитивной силы без существенного снижения остаточной намагниченности. Этот подход был успешно применён к магнитам NdFeB и в настоящее время адаптируется для Sm₂Fe₁₇Nₓ.
- Наноструктурирование : уменьшение размера зерен Sm₂Fe₁₇Nₓ до нанометрового диапазона может подавить движение доменных стенок и увеличить коэрцитивную силу. Однако достижение равномерного наноструктурирования без внесения дефектов остаётся сложной задачей.
- Композитная конструкция : сочетание Sm₂Fe₁₇Nₓ с другими магнитными материалами (например, оксидами железа, ферритами) для создания гибридных магнитов позволяет добиться баланса между стоимостью и производительностью. Например, в двигателе, разработанном Университетом Цзянсу, использовалось сочетание магнитов NdFeB и феррита, что позволило снизить содержание редкоземельных элементов на 50% при сохранении 91,6% от исходного крутящего момента.
3. Сравнение с магнитами NdFeB
3.1 Показатели производительности
| Метрическая | Магниты NdFeB | α"-Fe₁₆N₂ (теоретический) | α"-Fe₁₆N₂ (Экспериментальный) | Sm₂Fe₁₇Nₓ |
|---|---|---|---|---|
| (BH)ₘₐₓ (MGOe) | 50–60 | >100 | 40 | 30–40 |
| млнₛ (эму/г) | 130–140 | 280 | ~200 | 120–130 |
| Hₐ (кЭ) | 10–30 | Высокий (теоретический) | Низкий (экспериментальный) | 10–20 |
| Tₐ (°C) | 310–400 | Низкий (<250) | Низкий (<250) | 700–800 |
| Коррозионная стойкость | Бедный | Умеренный | Умеренный | Хороший |
3.2. Соображения стоимости и ресурсов
- Зависимость от редкоземельных элементов : магниты NdFeB используют неодим (Nd) и празеодим (Pr), которые классифицируются Европейским союзом как критически важное сырье из-за рисков, связанных с поставками. В отличие от этого, в Sm₂Fe₁₇Nₓ используется самарий (Sm), который встречается чаще, чем Nd, а α"-Fe₁₆N₂ полностью не содержит редкоземельных элементов.
- Стоимость сырья : стоимость магнитов NdFeB сильно зависит от цен на редкоземельные металлы, которые могут значительно колебаться. Ожидается, что магниты Sm₂Fe₁₇Nₓ будут на 20–30% дешевле магнитов NdFeB при массовом производстве, тогда как магниты α"-Fe₁₆N₂ могут быть ещё дешевле, если будут преодолены проблемы массового производства.
- Потенциал переработки : Магниты NdFeB имеют хорошо развитую инфраструктуру переработки, при этом в некоторых регионах уровень переработки превышает 90%. Потенциал переработки магнитов Sm₂Fe₁₇Nₓ и α"-Fe₁₆N₂ всё ещё изучается, но их более простой состав может облегчить переработку.
4. Перспективы и вызовы на будущее
4.1 Технические проблемы
- α"-Fe₁₆N₂ : Основная задача — стабилизация метастабильной фазы при повышенных температурах. Исследователи изучают легирование, нанесение покрытий и микроструктурную инженерию для повышения термической стабильности. Кроме того, масштабирование синтеза до промышленного уровня с сохранением фазовой чистоты остаётся сложной задачей.
- Sm₂Fe₁₇Nₓ : Несмотря на достигнутую индустриализацию, для конкуренции с высококачественными магнитами NdFeB необходимы дальнейшие усовершенствования (BH)ₘₐₓ. Это требует развития технологий межзеренной инженерии, наноструктурирования и проектирования композитных материалов.
4.2 Внедрение на рынок
- Автомобильная промышленность : производители электромобилей вынуждены снижать затраты и зависимость от редкоземельных элементов. Магниты Sm₂Fe₁₇Nₓ уже проходят испытания на предмет использования в тяговых двигателях, где их высокая температура Кюри и хорошая коррозионная стойкость являются преимуществом. Магниты α"-Fe₁₆N₂ могут найти применение в низкотемпературных условиях, например, в автомобильных датчиках.
- Потребительская электроника : Тенденция к миниатюризации в электронике требует магнитов с высокой плотностью магнитной энергии. Хотя на этом рынке в настоящее время доминируют магниты NdFeB, магниты Sm₂Fe₁₇Nₓ и α"-Fe₁₆N₂ могут получить признание, если смогут сравниться с NdFeB по производительности или превзойти его при более низкой стоимости.
- Возобновляемая энергия : для ветровых турбин и других систем возобновляемой энергии требуются магниты, способные выдерживать суровые условия окружающей среды. Отличная термическая и химическая стабильность Sm₂Fe₁₇Nₓ делает его отличным кандидатом для этих применений.
4.3 Политика и экологические факторы
- Нормативная поддержка : Правительства по всему миру стимулируют разработку магнитов из нередкоземельных металлов, финансируя исследования и предоставляя налоговые льготы. Например, Институт критических материалов Министерства энергетики США отдал приоритет исследованиям соединений Fe-N.
- Воздействие на окружающую среду : производство магнитов NdFeB приводит к образованию значительного количества отходов и требует использования токсичных химикатов для обработки. В отличие от этого, соединения Fe-N можно синтезировать более экологичными методами, что снижает их воздействие на окружающую среду.
5. Заключение
Нередкоземельные постоянные магнитные материалы, в частности, соединения железа и азота, такие как α"-Fe₁₆N₂ и Sm₂Fe₁₇Nₓ, представляют собой перспективную альтернативу магнитам NdFeB. Хотя α"-Fe₁₆N₂ теоретически обладает преимуществами, его практическое применение затруднено проблемами синтеза и стабильности. Sm₂Fe₁₇Nₓ, с другой стороны, уже получил промышленное распространение и активно внедряется в различных отраслях.
В краткосрочной и среднесрочной перспективе магниты Sm₂Fe₁₇Nₓ, вероятно, увеличат свою долю на рынке в приложениях, где стоимость и термостабильность имеют приоритет над максимальными магнитными характеристиками. Магниты α"-Fe₁₆N₂ могут найти узкоспециализированное применение в низкотемпературных средах после того, как будут преодолены проблемы их производства.
В долгосрочной перспективе замена магнитов NdFeB будет зависеть от продолжения исследований в области стабилизации материалов, оптимизации характеристик и снижения затрат. При постоянных инвестициях и инновациях нередкоземельные постоянные магниты могут произвести революцию в отраслях, использующих высокопроизводительные магниты, снижая зависимость от редкоземельных элементов и способствуя более устойчивому будущему.
