Сенз Магнет - Глобални стални магнетски произвођач материјала & Добављач током 20 година.
Какав је напредак у истраживању сталних магнетних материјала који нису ретки земни елементи (као што су једињења гвожђа и азота)? Да ли они могу у будућности заменити неодимијумске магнете?
1. Увод
Перманентни магнети од ретких земних елемената, посебно NdFeB магнети, доминирају тржиштем високоперформансних магнета због свог ненадмашног магнетног енергетског производа (BH)ₘₐₓ, који може прећи 50 MGOe. Међутим, екстракција и прерада елемената ретких земних елемената подразумевају значајне еколошке трошкове, а геополитичке тензије су довеле до поремећаја у ланцу снабдевања. Ови изазови су мотивисали истраживање сталних магнетних материјала који нису од ретких земних елемената са упоредивим или супериорним перформансама.
Једињења гвожђа и азота привукла су значајну пажњу јер је азота доста, јефтин је и може значајно побољшати магнетна својства легура на бази гвожђа. Два најпроучаванија Fe-N једињења су α"-Fe₁₆N₂ и Sm₂Fe₁₇Nₓ, свако са различитим предностима и изазовима.
2. Напредак у истраживању једињења гвожђа и азота
2.1 α"-Fe₁₆N₂: Теоријски шампион
2.1.1 Магнетна својства и теоријски потенцијал
α"-Fe₁₆N₂ је метастабилна фаза гвожђе нитрида која се формира под специфичним условима. Теоријске студије сугеришу да поседује изузетно високу магнетизацију засићења (Mₛ) од приближно 280 emu/g и велику енергију магнетокристалне анизотропије (K₁), што би могло довести до (BH)ₘₐₓ веће од 100 MGOe - скоро двоструко више него код NdFeB магнета. Ово чини α"-Fe₁₆N₂ веома атрактивним кандидатом за примене високоперформансних магнета.
2.1.2 Изазови синтезе
Упркос свом теоријском обећању, синтеза α"-Fe₁₆N₂ показала се изузетно изазовном. Једињење је метастабилно и лако се разлаже на температурама изнад 200–250°C. Штавише, постизање прецизне стехиометрије (Fe:N ≈ 16:2) је критично, јер одступања доводе до стварања мање пожељних фаза попут γ'-Fe₄N или ε-Fe₃N. Истражене су различите методе синтезе, укључујући:
- Нитридација у гасној фази : Укључује излагање гвоздених филмова или прахова гасовима који садрже азот (нпр. NH₃, смеше N₂/H₂) на контролисаним температурама и притисцима. Међутим, постизање равномерне нитридације и спречавање распадања фазе остаје тешко.
- Механичко легирање : Млевење гвожђа и једињења која садрже азот (нпр. Fe и NaN₃) помоћу куглица високе енергије може произвести нанокристални α"-Fe₁₆N₂, али је процес дуготрајан и склон контаминацији.
- Имплантација јона : Јони азота се имплантирају у гвоздене подлоге, након чега следи жарење да би се формирао α"-Fe₁₆N₂. Ова метода нуди прецизну контролу концентрације азота, али је ограничена на танке филмове и производњу малих размера.
2.1.3 Недавна открића
Године 2023, једна компанија са седиштем у САД тврдила је да је произвела α"-Fe₁₆N₂ магнете са (BH)ₘₐₓ од 40 MGOe, демонстрирајући њихов потенцијал у применама у моторима. Међутим, објављено је да ови магнети имају нижу термичку стабилност од NdFeB магнета, што ограничава њихову употребу у окружењима са високим температурама. Истраживачи се сада фокусирају на стабилизацију α"-Fe₁₆N₂ допирањем другим елементима (нпр. Ti, V) или капсулирањем у заштитне премазе како би се побољшала његова термичка и хемијска стабилност.
2.2 Sm₂Fe₁₇Nₓ: Практични кандидат
2.2.1 Кристална структура и магнетна својства
Sm₂Fe₁₇Nₓ припада ромбоедарској структури типа Th₂Zn₁₇, где атоми азота заузимају међупросторна места у решетки Sm₂Fe₁₇. Нитридација значајно побољшава магнетна својства Sm₂Fe₁₇ тако што:
- Повећање магнетизације засићења (Mₛ) због преноса густине спина електрона са азота на гвожђе.
- Повећање Киријеве температуре (Tₐ) са ~390°C (Sm₂Fe₁₇) на ~800°C (Sm₂Fe₁₇Nₓ), побољшавајући термичку стабилност.
- Повећање коерцитивности (Hₐ) закачињањем доменских зидова азотом изазваним дисторзијама решетке.
Комерцијално доступни Sm₂Fe₁₇Nₓ магнети обично имају (BH)ₘₐₓ од 30–40 MGOe, што је ниже од NdFeB, али је и даље погодно за многе примене, укључујући моторе електричних возила, индустријске погоне и аудио звучнике.
2.2.2 Напредак индустријализације
Кина је преузела водећу улогу у индустријализацији Sm₂Fe₁₇Nₓ магнета, а компаније попут Ningxia Junci New Materials Technology Co., Ltd. (Junci Magvalley) постижу пробој у производњи великих размера. Junci Magvalley је развио сопствени процес металургије праха за производњу високоперформансних Sm₂Fe₁₇Nₓ магнетних прахова, са годишњим производним капацитетом већим од 100 тона. Компанија је такође сарађивала са произвођачима на развоју мотора на бази Sm₂Fe₁₇Nₓ за возила са новом енергијом и индустријску аутоматизацију.
У Јапану, компаније Sumitomo Metal Mining Co., Ltd. и Nichia Chemical Industries Co., Ltd. су такође индустријализовале производњу Sm₂Fe₁₇Nₓ користећи процесе редукције и дифузије. Ове компаније су постигле високу конзистентност производа и испоручују Sm₂Fe₁₇Nₓ магнете произвођачима аутомобила и електронике.
2.2.3 Оптимизација перформанси
Да би се такмичили са NdFeB магнетима, истраживачи се фокусирају на побољшање (BH)ₘₐₓ Sm₂Fe₁₇Nₓ кроз:
- Дифузија на границама зрна (GBD) : Премазивање честица Sm₂Fe₁₇Nₓ тешким реткоземним елементима (нпр. Dy, Tb) ради побољшања коерцитивности без значајног смањења реманентности. Овај приступ је успешно примењен на NdFeB магнете и сада се прилагођава за Sm₂Fe₁₇Nₓ.
- Наноструктурирање : Смањење величине зрна Sm₂Fe₁₇Nₓ на нанометарску скалу може потиснути кретање зидова домена и повећати коерцитивност. Међутим, постизање једнообразног наноструктурирања без увођења дефеката остаје изазов.
- Композитни дизајн : Комбиновање Sm₂Fe₁₇Nₓ са другим магнетним материјалима (нпр. оксидима гвожђа, феритима) ради формирања хибридних магнета може уравнотежити трошкове и перформансе. На пример, мотор који је дизајнирао Универзитет Ђангсу користио је комбинацију NdFeB и феритних магнета како би смањио садржај ретких земаља за 50%, уз одржавање 91,6% оригиналног обртног момента.
3. Поређење са NdFeB магнетима
3.1 Метрике учинка
| Метрика | NdFeB магнети | α"-Fe₁₆N₂ (теоријски) | α"-Fe₁₆N₂ (Експериментално) | Sm₂Fe₁₇Nₓ |
|---|---|---|---|---|
| (БХ)ₘₐₓ (МГОе) | 50–60 | >100 | 40 | 30–40 |
| Мₛ (ему/г) | 130–140 | 280 | ~200 | 120–130 |
| Hₐ (kOe) | 10–30 | Високо (теоријско) | Ниско (експериментално) | 10–20 |
| Тₐ (°C) | 310–400 | Ниско (<250) | Ниско (<250) | 700–800 |
| Отпорност на корозију | Сиромашно | Умерено | Умерено | Добро |
3.2 Разматрања трошкова и ресурса
- Зависност од ретких земних елемената : NdFeB магнети се ослањају на неодимијум (Nd) и празеодимијум (Pr), које је Европска унија класификовала као критичне сировине због ризика у снабдевању. Насупрот томе, Sm₂Fe₁₇Nₓ користи самаријум (Sm), који је заступљенији од Nd, а α"-Fe₁₆N₂ је потпуно без ретких земних елемената.
- Трошкови сировина : Цена NdFeB магнета је у великој мери под утицајем цена ретких земних елемената, које могу значајно да варирају. Очекује се да ће Sm₂Fe₁₇Nₓ магнети бити 20–30% јефтинији од NdFeB магнета у великим количинама, док би α"-Fe₁₆N₂ магнети могли бити још јефтинији ако се превазиђу изазови масовне производње.
- Потенцијал рециклаже : NdFeB магнети имају добро успостављену инфраструктуру за рециклажу, са стопама рециклаже које прелазе 90% у неким регионима. Потенцијал рециклаже Sm₂Fe₁₇Nₓ и α"-Fe₁₆N₂ магнета се још увек истражује, али њихови једноставнији састави могу олакшати рециклажу.
4. Будући изгледи и изазови
4.1 Технички изазови
- α"-Fe₁₆N₂ : Примарни изазов је стабилизација метастабилне фазе на повишеним температурама. Истраживачи истражују допирање, премазивање и микроструктурни инжењеринг како би побољшали термичку стабилност. Поред тога, повећање синтезе на индустријски ниво уз одржавање чистоће фазе остаје препрека.
- Sm₂Fe₁₇Nₓ : Иако је индустријализација постигнута, потребна су даља побољшања (BH)ₘₐₓ како би се такмичио са висококвалитетним NdFeB магнетима. Ово захтева напредак у инжењерству граница зрна, наноструктурирању и дизајну композита.
4.2 Усвајање на тржишту
- Аутомобилска индустрија : Произвођачи електричних возила су под притиском да смање трошкове и зависност од ретких земних елемената. Sm₂Fe₁₇Nₓ магнети се већ процењују за употребу у вучним моторима, где су њихова висока Киријева температура и добра отпорност на корозију предности. α"-Fe₁₆N₂ магнети би могли пронаћи нишне примене у окружењима са ниским температурама, као што су аутомобилски сензори.
- Потрошачка електроника : Тренд минијатуризације у електроници захтева магнете са високом густином магнетне енергије. Док NdFeB магнети тренутно доминирају овим тржиштем, Sm₂Fe₁₇Nₓ и α"-Fe₁₆N₂ магнети би могли да добију на популарности ако могу да достигну или надмаше NdFeB перформансе по нижој цени.
- Обновљива енергија : Ветротурбине и други системи обновљиве енергије захтевају магнете који могу да издрже тешке услове околине. Одлична термичка и хемијска стабилност Sm₂Fe₁₇Nₓ чини га јаким кандидатом за ове примене.
4.3 Политика и фактори животне средине
- Регулаторна подршка : Владе широм света промовишу развој магнета који нису од ретких земних елемената кроз финансирање истраживања и пореске олакшице. На пример, Институт за критичне материјале Министарства енергетике САД дао је приоритет истраживању Fe-N једињења.
- Утицај на животну средину : Производња NdFeB магнета ствара значајан отпад и захтева токсичне хемикалије за прераду. Насупрот томе, Fe-N једињења се могу синтетизовати коришћењем еколошки прихватљивијих метода, смањујући њихов утицај на животну средину.
5. Закључак
Трајни магнетни материјали који нису ретки земни елементи, посебно једињења гвожђа и азота попут α"-Fe₁₆N₂ и Sm₂Fe₁₇Nₓ, представљају обећавајућу алтернативу NdFeB магнетима. Иако α"-Fe₁₆N₂ нуди теоријске предности у перформансама, његову практичну примену отежавају изазови синтезе и стабилности. Sm₂Fe₁₇Nₓ, с друге стране, је већ постигао индустријализацију и активно се усваја у различитим секторима.
На краћи и средњи рок, Sm₂Fe₁₇Nₓ магнети ће вероватно освојити тржишни удео у применама где су трошкови и термичка стабилност приоритет у односу на максималне магнетне перформансе. α"-Fe₁₆N₂ магнети могу пронаћи нишну примену у окружењима са ниским температурама када се превазиђу њихови производни изазови.
Дугорочно гледано, замена NdFeB магнета зависиће од континуираног истраживања стабилизације материјала, оптимизације перформанси и смањења трошкова. Уз континуирана улагања и иновације, стални магнетни материјали који нису ретки земни елементи имају потенцијал да револуционишу индустрије које се ослањају на високоперформансне магнете, смањујући зависност од ретких земних елемената и промовишући одрживију будућност.
