21वीं सदी में, औद्योगिक इंटरनेट, नवीकरणीय ऊर्जा, उच्च गति रेल परिवहन, 5G संचार, और बुद्धिमान विनिर्माण जैसे क्षेत्रों में प्रौद्योगिकी की तेजी से प्रगति ने वैश्विक औद्योगिक विकास को महत्वपूर्ण रूप से प्रभावित किया है। 2018 में चीन में पेश की गई "नई बुनियादी ढांचा निर्माण" की अवधारणा इन क्षेत्रों के राष्ट्रीय आर्थिक विकास में महत्व को और अधिक रेखांकित करती है। इन प्रगति के लिए महत्वपूर्ण सामग्रियों में, नियोडिमियम-आयरन-बोरोन (Nd-Fe-B) स्थायी मैग्नेट्स अपनी असाधारण चुंबकीय गुणों के कारण एक महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हैं, स्थायी मैग्नेट बाजार का 50% से अधिक हिस्सा रखते हैं। हालांकि, पारंपरिक Nd-Fe-B मैग्नेट्स को चुनौतियों का सामना करना पड़ता है, विशेष रूप से उच्च तापमान स्थिरता की आवश्यकता वाले अनुप्रयोगों में, जैसे कि इलेक्ट्रिक वाहन ड्राइव मोटर्स और पवन टरबाइन जनरेटर।
पारंपरिक Nd-Fe-B मैग्नेट्स में चुनौतियाँ
वाणिज्यिक सिंटर्ड Nd-Fe-B मैग्नेट्स की एक प्रमुख सीमा, विशेष रूप से वे जिनमें भारी दुर्लभ पृथ्वी तत्व (HREs) नहीं होते, उनकी कम कोएर्सिविटी (लगभग 1200 kA/m) और क्यूरी तापमान (Tc = 312°C) है। कोएर्सिविटी, एक बाह्य चुंबकीय गुण, मैग्नेट की संरचना और सूक्ष्मसंरचना से निकटता से संबंधित है। कोएर्सिविटी बढ़ाने से उच्च तापमान पर डीमैग्नेटाइजेशन का प्रभावी रूप से प्रतिरोध किया जा सकता है, जिससे मैग्नेट की थर्मल स्थिरता बढ़ती है।
इस समस्या को हल करने के लिए, कई दृष्टिकोणों का अन्वेषण किया गया है। एक विधि में कोबाल्ट (Co) मिश्र धातु तत्वों को जोड़ना शामिल है ताकि Nd2Fe14B चरण में कुछ लोहे (Fe) को प्रतिस्थापित किया जा सके, जिससे मैग्नेट का क्यूरी तापमान (Tc) बढ़ सके। हालांकि, अत्यधिक Co न केवल सामग्री की लागत बढ़ाता है बल्कि कठोर चुंबकीय गुणों को भी खराब करता है। एक अन्य रणनीति में HRE तत्वों जैसे कि डिस्प्रोसियम (Dy) और टर्बियम (Tb) को 2:14:1 चरण में नियोडिमियम (Nd) के स्थान पर शामिल करना शामिल है, जिससे एक (HRE, Nd)2Fe14B चरण बनता है जिसमें उच्च चुंबकीय एनिसोट्रॉपी फील्ड होता है। दुर्भाग्यवश, HREs दुर्लभ होते हैं, पृथ्वी की पपड़ी में उनकी प्रचुरता Nd की तुलना में 10% से कम होती है, जिससे उनकी कीमतें अत्यधिक होती हैं। पारंपरिक पिघलने के माध्यम से HREs को शामिल करने से मैग्नेट की लागत में काफी वृद्धि होती है, HRE सामग्री Nd-Fe-B मैग्नेट्स की अंतिम कीमत का 30% से 50% तक होती है। इसके अलावा, HRE परमाणुओं और Fe परमाणुओं के बीच एंटीफेरोमैग्नेटिक युग्मन अनिवार्य रूप से मैग्नेट की रेमनेंस और चुंबकीय ऊर्जा उत्पाद को कम करता है।
ग्रेन बाउंड्री डिफ्यूजन (GBD) प्रौद्योगिकी
उच्च तापमान Nd-Fe-B मैग्नेट्स की बढ़ती मांग के जवाब में, GBD प्रौद्योगिकी का विकास एक आशाजनक समाधान के रूप में उभरा है। 2005 में नाकामुरा एट अल द्वारा प्रस्तावित, GBD प्रौद्योगिकी HREs के एकल तत्वों या यौगिकों का उपयोग विसरण के रूप में करती है। विसरण ऊष्मा उपचार के माध्यम से, HREs मैग्नेट में सतह से अनाज की सीमाओं के साथ प्रवेश करते हैं, अनाज की सीमाओं और अनाज की सतहों पर वितरित होते हैं ताकि Nd-Fe-B मैग्नेट की कोएर्सिविटी को बढ़ाया जा सके। विसरण प्रक्रिया आमतौर पर Nd-Fe-B मैग्नेट में अनाज सीमा-समृद्ध दुर्लभ पृथ्वी चरण के गलनांक से ऊपर के तापमान पर होती है, जिससे तरल-समृद्ध दुर्लभ पृथ्वी चरण में अनाज की सीमाओं के साथ तेजी से विसरण की सुविधा मिलती है।
GBD का मुख्य सिद्धांत यह है कि चुंबकीय डोमेन का उलटाव पहले अनाज की सतहों पर बनता है, जिससे वे मैग्नेट के भीतर सबसे कमजोर कड़ी बन जाते हैं। अनाज की सतहों पर एनिसोट्रॉपी फील्ड को बढ़ाकर, उलटाव डोमेन के निर्माण को विलंबित किया जा सकता है, जिससे पूरे मैग्नेट की कोएर्सिविटी बढ़ती है। GBD मुख्य रूप से अनाज की सीमाओं में HREs को वितरित करता है, जिससे उनके अनाज के अंदर प्रवेश को न्यूनतम किया जाता है। यह दृष्टिकोण न केवल कोएर्सिविटी को बढ़ाता है बल्कि HREs के अवांछनीय प्रभावों को भी कम करता है, उत्कृष्ट समग्र चुंबकीय गुण प्राप्त करता है।
Ce के साथ GBD प्रौद्योगिकी के लाभ
GBD प्रौद्योगिकी कई लाभ प्रदान करती है, विशेष रूप से जब सेरियम (Ce) को शामिल किया जाता है। Ce अपनी प्रचुरता के कारण Nd और HREs का एक लागत-प्रभावी विकल्प है। Nd के एक हिस्से को Ce के साथ बदलकर, सामग्री की लागत को कम किया जा सकता है जबकि चुंबकीय प्रदर्शन को बनाए रखा जा सकता है या यहां तक कि बढ़ाया जा सकता है। अध्ययनों से पता चला है कि GBD के माध्यम से संसाधित Ce-युक्त Nd-Fe-B मैग्नेट्स में कोएर्सिविटी में महत्वपूर्ण सुधार होता है। उदाहरण के लिए, डुअल-मेन-फेज विधि द्वारा तैयार किए गए सिनेर्ड (Ce,Nd)-Fe-B मैग्नेट्स में Tb-विसरण कोएर्सिविटी को 65% तक बढ़ा देता है, जिसमें अवशिष्टता और अधिकतम ऊर्जा उत्पाद में अपेक्षाकृत मामूली कमी होती है।
हाल के विकास और अनुसंधान दिशा
हाल के वर्षों में, GBD प्रौद्योगिकी ने तेजी से प्रगति की है और औद्योगिकीकरण प्राप्त किया है। GBD के व्यावहारिक औद्योगिक अनुप्रयोगों ने HRE खपत को 50% से अधिक कम कर दिया है। हालांकि, कई तकनीकी और सैद्धांतिक चुनौतियाँ बनी हुई हैं। एक महत्वपूर्ण मुद्दा उन मैग्नेट्स की मोटाई को बढ़ाना है जिन्हें GBD द्वारा प्रभावी रूप से उपचारित किया जा सकता है। वर्तमान औद्योगिक अभ्यास मुख्य रूप से 4 मिमी से कम मोटाई वाले मैग्नेट्स पर केंद्रित है, जिनमें से कुछ 8 मिमी से अधिक हैं। उच्च सुरक्षा मार्जिन की आवश्यकता वाले अनुप्रयोगों के लिए, जैसे कि 125°C से ऊपर काम करने वाले मोटर्स और जनरेटर, मोटे मैग्नेट्स को प्राथमिकता दी जाती है।
इस चुनौती का समाधान करने के लिए, शोधकर्ता विसरण दर को बढ़ाने के तरीकों का पता लगा रहे हैं, जिसका उद्देश्य मोटे मैग्नेट्स में विसरण गहराई को बढ़ाना है। एक दृष्टिकोण में विसरण संरचनाओं की संरचना को संशोधित करना शामिल है, जैसे कि मिश्रधातु या डोपिंग के माध्यम से, अधिक कुशल विसरण चैनल प्रदान करने के लिए। उदाहरण के लिए, Al + TbH2 मिश्रणों का उपयोग विसरण संरचनाओं के रूप में करने से 6.5 मिमी मोटे मैग्नेट्स की कोएर्सिविटी में TbH2 अकेले उपयोग करने की तुलना में काफी सुधार हुआ है। Al की शुरूआत 2:14:1 अनाजों के बीच निरंतर पतली-परत अनाज सीमा चरणों के गठन को बढ़ावा देती है, जिससे विमैग्नेटाइजिंग कपलिंग में सुधार होता है और इस प्रकार कोएर्सिविटी में सुधार होता है।
भविष्य के दृष्टिकोण
Ce के साथ GBD प्रौद्योगिकी का भविष्य उच्च-प्रदर्शन, लागत-प्रभावी Nd-Fe-B मैग्नेट्स के विकास के लिए काफी संभावनाएं रखता है। अनुसंधान का ध्यान विसरण संरचनाओं को अनुकूलित करने, विसरण दक्षताओं को बढ़ाने, और GBD मैग्नेट्स में सूक्ष्मसंरचना-गुण संबंधों को समझने पर केंद्रित है। इसके अतिरिक्त, मोटे मैग्नेट्स के प्रभावी उपचार के लिए विधियों के विकास की आवश्यकता है, जिससे GBD प्रौद्योगिकी के अनुप्रयोग क्षेत्र का विस्तार हो सके।
निष्कर्ष में, Ce के साथ GBD प्रौद्योगिकी में नवीनतम विकास पारंपरिक Nd-Fe-B मैग्नेट्स की सीमाओं को संबोधित करने में एक महत्वपूर्ण कदम है। Ce के अद्वितीय गुणों का लाभ उठाकर और GBD प्रक्रिया को अनुकूलित करके, शोधकर्ता विभिन्न उद्योगों में उच्च-प्रदर्शन, लागत-प्रभावी स्थायी मैग्नेट्स के व्यापक अपनाने का मार्ग प्रशस्त कर रहे हैं, जो 21वीं सदी में नवाचार और स्थिरता को बढ़ावा दे रहे हैं।
