En el siglo XXI, el rápido avance de la tecnología en campos como el internet industrial, la energía renovable, el transporte ferroviario de alta velocidad, las comunicaciones 5G y la fabricación inteligente ha influido significativamente en el desarrollo industrial global. El concepto de "nueva construcción de infraestructura" introducido en China en 2018 subraya aún más la importancia de estos sectores en el crecimiento económico nacional. Entre los materiales cruciales para estos avances, los imanes permanentes de neodimio-hierro-boro (Nd-Fe-B) juegan un papel fundamental debido a sus excepcionales propiedades magnéticas, ocupando más del 50% del mercado de imanes permanentes. Sin embargo, los imanes tradicionales de Nd-Fe-B enfrentan desafíos, particularmente en aplicaciones que requieren estabilidad a alta temperatura, como los motores de tracción de vehículos eléctricos y los generadores de turbinas eólicas.
Desafíos en los Imanes Tradicionales de Nd-Fe-B
Una de las principales limitaciones de los imanes comerciales de Nd-Fe-B sinterizados, especialmente aquellos sin tierras raras pesadas (HREs), es su baja coercitividad (alrededor de 1200 kA/m) y temperatura de Curie (Tc = 312°C). La coercitividad, una propiedad magnética extrínseca, está estrechamente relacionada con la composición y microestructura del imán. Aumentar la coercitividad puede resistir efectivamente la desmagnetización a temperaturas más altas, mejorando así la estabilidad térmica del imán.
Para abordar este problema, se han explorado varios enfoques. Un método implica agregar elementos de aleación de cobalto (Co) para reemplazar parte del hierro (Fe) en la fase Nd2Fe14B, aumentando así la temperatura de Curie (Tc) del imán. Sin embargo, un exceso de Co no solo eleva los costos del material, sino que también degrada las propiedades magnéticas duras. Otra estrategia es incorporar elementos HRE como disprosio (Dy) y terbio (Tb) para reemplazar el neodimio (Nd) en la fase 2:14:1, formando una fase (HRE, Nd)2Fe14B con un campo de anisotropía magnética más alto. Desafortunadamente, los HREs son escasos, con su abundancia en la corteza terrestre siendo menos del 10% de la de Nd, lo que lleva a precios extremadamente altos. Introducir HREs a través de la fusión tradicional aumenta significativamente el costo del imán, con los materiales HRE representando del 30% al 50% del precio final de los imanes de Nd-Fe-B. Además, el acoplamiento antiferromagnético entre los átomos de HRE y los átomos de Fe reduce inevitablemente la remanencia y el producto de energía magnética del imán.
Tecnología de Difusión en el Límite de Grano (GBD)
En respuesta a la creciente demanda de imanes de Nd-Fe-B de alta temperatura, el desarrollo de la tecnología GBD ha surgido como una solución prometedora. Propuesta por Nakamura et al. en 2005, la tecnología GBD utiliza elementos individuales o compuestos de HREs como difusores. A través del tratamiento térmico de difusión, los HREs penetran en el imán desde la superficie a lo largo de los límites de grano, distribuyéndose en los límites de grano y en las superficies de grano para mejorar la coercitividad del imán de Nd-Fe-B. El proceso de difusión generalmente ocurre a temperaturas por encima del punto de fusión de la fase rica en tierras raras del límite de grano en el imán de Nd-Fe-B, facilitando la rápida difusión a lo largo de los límites de grano en la fase rica en tierras raras líquidas.
El principio central de GBD es que la inversión de los dominios de magnetización se forma primero en las superficies de grano, convirtiéndolas en el eslabón más débil dentro del imán. Al aumentar el campo de anisotropía en las superficies de grano, se puede retrasar la formación de dominios de inversión, mejorando así la coercitividad de todo el imán. GBD distribuye HREs predominantemente en los límites de grano, minimizando su entrada en los interiores de grano. Este enfoque no solo aumenta la coercitividad, sino que también mitiga los efectos adversos de los HREs sobre la remanencia, logrando excelentes propiedades magnéticas generales.
Ventajas de la Tecnología GBD con Ce
La tecnología GBD ofrece varias ventajas, particularmente cuando se incorpora cerio (Ce). El Ce es una alternativa rentable al Nd y HREs debido a su abundancia. Al sustituir una parte de Nd con Ce, se puede reducir el costo del material mientras se mantiene o incluso se mejora el rendimiento magnético. Los estudios han demostrado que los imanes Nd-Fe-B que contienen Ce procesados a través de GBD exhiben mejoras significativas en la coercitividad. Por ejemplo, la difusión de Tb en imanes sinterizados (Ce,Nd)-Fe-B preparados por el método de doble fase principal ha mejorado la coercitividad hasta en un 65%, con una reducción relativamente menor en la remanencia y el producto de energía máxima.
Desarrollos Recientes y Direcciones de Investigación
En los últimos años, la tecnología GBD ha avanzado rápidamente y ha logrado la industrialización. Las aplicaciones industriales prácticas de GBD han reducido el consumo de HRE en más del 50%. Sin embargo, aún quedan varios desafíos técnicos y teóricos. Un problema crítico es aumentar el grosor de los imanes que pueden ser tratados efectivamente por GBD. La práctica industrial actual se centra principalmente en imanes con grosores menores a 4 mm, con pocos que superen los 8 mm. Para aplicaciones que requieren márgenes de seguridad más altos, como motores y generadores que operan por encima de 125°C, se prefieren imanes más gruesos.
Para abordar este desafío, los investigadores están explorando métodos para mejorar la tasa de difusión de los difusores, con el objetivo de aumentar la profundidad de difusión en imanes más gruesos. Un enfoque implica modificar la composición de los difusores, como a través de la aleación o el dopaje, para proporcionar canales de difusión más eficientes. Por ejemplo, se ha encontrado que el uso de mezclas de Al + TbH2 como difusores mejora significativamente la coercitividad de imanes de 6.5 mm de grosor en comparación con el uso de TbH2 solo. La introducción de Al promueve la formación de fases de límite de grano en capas delgadas continuas entre los granos 2:14:1, mejorando el acoplamiento desmagnetizante y, por lo tanto, mejorando la coercitividad.
Perspectivas Futuras
El futuro de la tecnología GBD con Ce tiene un gran potencial para desarrollar imanes Nd-Fe-B de alto rendimiento y rentables. La investigación continúa enfocándose en optimizar las composiciones de los difusores, mejorar las eficiencias de difusión y comprender las relaciones microestructura-propiedad en los imanes GBD. Además, es necesario desarrollar métodos para tratar imanes más gruesos de manera efectiva, ampliando el rango de aplicación de la tecnología GBD.
En conclusión, los últimos desarrollos en tecnología GBD con Ce representan un avance significativo en la resolución de las limitaciones de los imanes Nd-Fe-B tradicionales. Al aprovechar las propiedades únicas del Ce y optimizar el proceso GBD, los investigadores están allanando el camino para la adopción generalizada de imanes permanentes de alto rendimiento y rentables en diversas industrias, impulsando la innovación y la sostenibilidad en el siglo XXI.
