Im 21. Jahrhundert hat der rasante Fortschritt der Technologie in Bereichen wie dem industriellen Internet, erneuerbaren Energien, Hochgeschwindigkeitsbahnverkehr, 5G-Kommunikation und intelligenter Fertigung die globale industrielle Entwicklung erheblich beeinflusst. Das in China 2018 eingeführte Konzept des "neuen Infrastrukturausbaus" unterstreicht die Bedeutung dieser Sektoren für das nationale Wirtschaftswachstum. Unter den Materialien, die für diese Fortschritte entscheidend sind, spielen Neodym-Eisen-Bor (Nd-Fe-B) Dauermagnete aufgrund ihrer außergewöhnlichen magnetischen Eigenschaften eine zentrale Rolle und nehmen mehr als 50 % des Dauermagnetmarktes ein. Traditionelle Nd-Fe-B-Magnete stehen jedoch vor Herausforderungen, insbesondere in Anwendungen, die eine hohe Temperaturstabilität erfordern, wie z.B. Antriebsmotoren für Elektrofahrzeuge und Windturbinen-Generatoren.
Herausforderungen bei traditionellen Nd-Fe-B-Magneten
Einer der Hauptbeschränkungen von kommerziellen gesinterten Nd-Fe-B-Magneten, insbesondere solchen ohne schwere Seltene Erden (HREs), ist ihre geringe Koerzitivkraft (etwa 1200 kA/m) und Curie-Temperatur (Tc = 312°C). Die Koerzitivkraft, eine extrinsische magnetische Eigenschaft, steht in engem Zusammenhang mit der Zusammensetzung und Mikrostruktur des Magneten. Eine Erhöhung der Koerzitivkraft kann effektiv der Entmagnetisierung bei höheren Temperaturen widerstehen und dadurch die thermische Stabilität des Magneten verbessern.
Um dieses Problem zu lösen, wurden mehrere Ansätze untersucht. Eine Methode besteht darin, Kobalt (Co) Legierungselemente hinzuzufügen, um einen Teil des Eisens (Fe) in der Nd2Fe14B-Phase zu ersetzen und dadurch die Curie-Temperatur (Tc) des Magneten zu erhöhen. Ein übermäßiger Co-Gehalt erhöht jedoch nicht nur die Materialkosten, sondern verschlechtert auch die hartmagnetischen Eigenschaften. Eine andere Strategie besteht darin, HRE-Elemente wie Dysprosium (Dy) und Terbium (Tb) zu integrieren, um Neodym (Nd) in der 2:14:1-Phase zu ersetzen und eine (HRE, Nd)2Fe14B-Phase mit einem höheren magnetischen Anisotropiefeld zu bilden. Leider sind HREs selten, mit einer Häufigkeit in der Erdkruste von weniger als 10 % der von Nd, was zu extrem hohen Preisen führt. Die Einführung von HREs durch traditionelles Schmelzen erhöht die Kosten des Magneten erheblich, wobei HRE-Materialien 30 % bis 50 % des Endpreises von Nd-Fe-B-Magneten ausmachen. Darüber hinaus reduziert die antiferromagnetische Kopplung zwischen HRE-Atomen und Fe-Atomen unvermeidlich die Remanenz und das magnetische Energieprodukt des Magneten.
Grain Boundary Diffusion (GBD) Technologie
Als Antwort auf die wachsende Nachfrage nach Hochtemperatur-Nd-Fe-B-Magneten hat sich die Entwicklung der GBD-Technologie als vielversprechende Lösung herauskristallisiert. Vorgeschlagen von Nakamura et al. im Jahr 2005, nutzt die GBD-Technologie einzelne Elemente oder Verbindungen von HREs als Diffusionsmittel. Durch Diffusionswärmebehandlung dringen HREs vom Rand des Magneten entlang der Korngrenzen ein und verteilen sich in den Korngrenzen und auf den Kornoberflächen, um die Koerzitivkraft des Nd-Fe-B-Magneten zu erhöhen. Der Diffusionsprozess erfolgt typischerweise bei Temperaturen über dem Schmelzpunkt der korngrenzenreichen Seltene-Erden-Phase im Nd-Fe-B-Magneten, was eine schnelle Diffusion entlang der Korngrenzen in der flüssigkeitsreichen Seltene-Erden-Phase erleichtert.
Das Kernprinzip der GBD besteht darin, dass die Umkehrung der Magnetisierungsdomänen zuerst auf den Kornoberflächen erfolgt, wodurch sie das schwächste Glied im Magneten darstellen. Durch Erhöhung des Anisotropiefeldes auf den Kornoberflächen kann die Bildung von Umkehrdomänen verzögert werden, wodurch die Koerzitivkraft des gesamten Magneten verbessert wird. GBD verteilt HREs überwiegend in den Korngrenzen und minimiert deren Eintritt in das Korninnere. Dieser Ansatz steigert nicht nur die Koerzitivkraft, sondern mildert auch die negativen Auswirkungen von HREs auf die Remanenz, wodurch hervorragende magnetische Gesamteigenschaften erzielt werden.
Vorteile der GBD-Technologie mit Ce
GBD-Technologie bietet mehrere Vorteile, insbesondere wenn Cer (Ce) eingebaut wird. Ce ist eine kostengünstige Alternative zu Nd und HREs aufgrund seiner Häufigkeit. Durch den Ersatz eines Teils von Nd durch Ce können die Materialkosten gesenkt werden, während die magnetische Leistung beibehalten oder sogar verbessert wird. Studien haben gezeigt, dass Ce-haltige Nd-Fe-B-Magnete, die durch GBD verarbeitet wurden, signifikante Verbesserungen in der Koerzitivfeldstärke aufweisen. Zum Beispiel wurde festgestellt, dass die Tb-Diffusion in gesinterte (Ce,Nd)-Fe-B-Magnete, die durch die Dual-Hauptphasen-Methode hergestellt wurden, die Koerzitivfeldstärke um bis zu 65% erhöht, mit einer relativ geringen Reduzierung der Remanenz und des maximalen Energieprodukts.
Jüngste Entwicklungen und Forschungsrichtungen
In den letzten Jahren hat sich die GBD-Technologie schnell weiterentwickelt und die Industrialisierung erreicht. Praktische industrielle Anwendungen von GBD haben den HRE-Verbrauch um mehr als 50% reduziert. Es bleiben jedoch mehrere technische und theoretische Herausforderungen bestehen. Ein kritisches Problem ist die Erhöhung der Dicke von Magneten, die effektiv durch GBD behandelt werden können. Die aktuelle industrielle Praxis konzentriert sich hauptsächlich auf Magnete mit einer Dicke von weniger als 4 mm, wobei nur wenige 8 mm überschreiten. Für Anwendungen, die höhere Sicherheitsmargen erfordern, wie Motoren und Generatoren, die über 125°C arbeiten, werden dickere Magnete bevorzugt.
Um diese Herausforderung zu bewältigen, erforschen Forscher Methoden zur Verbesserung der Diffusionsrate von Diffusanten, um die Diffusionstiefe in dickeren Magneten zu erhöhen. Ein Ansatz besteht darin, die Zusammensetzung der Diffusanten zu modifizieren, beispielsweise durch Legierung oder Dotierung, um effizientere Diffusionskanäle bereitzustellen. Zum Beispiel wurde festgestellt, dass die Verwendung von Al + TbH2-Mischungen als Diffusanten die Koerzitivfeldstärke von 6,5 mm dicken Magneten im Vergleich zur alleinigen Verwendung von TbH2 signifikant verbessert. Die Einführung von Al fördert die Bildung kontinuierlicher dünner Schichtkornrandphasen zwischen 2:14:1-Körnern, verbessert die Entmagnetisierungskopplung und erhöht somit die Koerzitivfeldstärke.
Zukünftige Perspektiven
Die Zukunft der GBD-Technologie mit Ce hält beträchtliches Potenzial für die Entwicklung von leistungsstarken, kostengünstigen Nd-Fe-B-Magneten. Die Forschung konzentriert sich weiterhin auf die Optimierung der Diffusanten-Zusammensetzungen, die Verbesserung der Diffusionseffizienzen und das Verständnis der Mikrostruktur-Eigenschafts-Beziehungen in GBD-Magneten. Darüber hinaus besteht die Notwendigkeit, Methoden zu entwickeln, um dickere Magnete effektiv zu behandeln und den Anwendungsbereich der GBD-Technologie zu erweitern.
Abschließend stellen die neuesten Entwicklungen in der GBD-Technologie mit Ce einen bedeutenden Fortschritt bei der Bewältigung der Einschränkungen traditioneller Nd-Fe-B-Magnete dar. Durch die Nutzung der einzigartigen Eigenschaften von Ce und die Optimierung des GBD-Prozesses ebnen Forscher den Weg für die weitverbreitete Einführung von leistungsstarken, kostengünstigen Permanentmagneten in verschiedenen Industrien, was Innovation und Nachhaltigkeit im 21. Jahrhundert vorantreibt.
