Pada abad ke-21, kemajuan teknologi yang pesat di bidang seperti internet industri, energi terbarukan, transportasi rel berkecepatan tinggi, komunikasi 5G, dan manufaktur cerdas telah secara signifikan mempengaruhi perkembangan industri global. Konsep "pembangunan infrastruktur baru" yang diperkenalkan di Tiongkok pada tahun 2018 semakin menekankan pentingnya sektor-sektor ini dalam pertumbuhan ekonomi nasional. Di antara bahan-bahan yang penting untuk kemajuan ini, magnet permanen neodymium-besi-boron (Nd-Fe-B) memainkan peran penting karena sifat magnetiknya yang luar biasa, menempati lebih dari 50% pasar magnet permanen. Namun, magnet Nd-Fe-B tradisional menghadapi tantangan, terutama dalam aplikasi yang memerlukan stabilitas suhu tinggi, seperti motor penggerak kendaraan listrik dan generator turbin angin.
Tantangan dalam Magnet Nd-Fe-B Tradisional
Salah satu keterbatasan utama magnet Nd-Fe-B sinter komersial, terutama yang tanpa tanah jarang berat (HRE), adalah koersivitasnya yang rendah (sekitar 1200 kA/m) dan suhu Curie (Tc = 312°C). Koersivitas, sifat magnetik ekstrinsik, terkait erat dengan komposisi dan mikrostruktur magnet. Meningkatkan koersivitas dapat secara efektif menahan demagnetisasi pada suhu yang lebih tinggi, sehingga meningkatkan stabilitas termal magnet.
Untuk mengatasi masalah ini, beberapa pendekatan telah dieksplorasi. Salah satu metode melibatkan penambahan elemen paduan kobalt (Co) untuk menggantikan sebagian besi (Fe) dalam fase Nd2Fe14B, sehingga meningkatkan suhu Curie (Tc) dari magnet. Namun, kelebihan Co tidak hanya meningkatkan biaya material tetapi juga merusak sifat magnet keras. Strategi lain adalah dengan memasukkan elemen HRE seperti disprosium (Dy) dan terbium (Tb) untuk menggantikan neodymium (Nd) dalam fase 2:14:1, membentuk fase (HRE, Nd)2Fe14B dengan medan anisotropi magnetik yang lebih tinggi. Sayangnya, HRE langka, dengan kelimpahannya di kerak bumi kurang dari 10% dari Nd, yang menyebabkan harga yang sangat tinggi. Memperkenalkan HRE melalui peleburan tradisional secara signifikan meningkatkan biaya magnet, dengan bahan HRE menyumbang 30% hingga 50% dari harga akhir magnet Nd-Fe-B. Selain itu, kopling antiferromagnetik antara atom HRE dan atom Fe secara tak terelakkan mengurangi remanensi dan produk energi magnet dari magnet.
Teknologi Difusi Batas Butir (GBD)
Menanggapi permintaan yang meningkat untuk magnet Nd-Fe-B suhu tinggi, pengembangan teknologi GBD muncul sebagai solusi yang menjanjikan. Diusulkan oleh Nakamura et al. pada tahun 2005, teknologi GBD memanfaatkan elemen tunggal atau senyawa HRE sebagai difusan. Melalui perlakuan panas difusi, HRE menembus magnet dari permukaan sepanjang batas butir, mendistribusikan di batas butir dan pada permukaan butir untuk meningkatkan koersivitas magnet Nd-Fe-B. Proses difusi biasanya terjadi pada suhu di atas titik leleh fase tanah jarang kaya batas butir dalam magnet Nd-Fe-B, memfasilitasi difusi cepat sepanjang batas butir dalam fase tanah jarang kaya cairan.
Prinsip inti dari GBD adalah bahwa pembalikan domain magnetisasi pertama kali terbentuk pada permukaan butir, menjadikannya titik terlemah dalam magnet. Dengan meningkatkan medan anisotropi pada permukaan butir, pembentukan domain pembalikan dapat ditunda, sehingga meningkatkan koersivitas seluruh magnet. GBD mendistribusikan HRE terutama di batas butir, meminimalkan masuknya ke dalam bagian dalam butir. Pendekatan ini tidak hanya meningkatkan koersivitas tetapi juga mengurangi efek buruk HRE pada remanensi, mencapai sifat magnetik keseluruhan yang sangat baik.
Keuntungan Teknologi GBD dengan Ce
Teknologi GBD menawarkan beberapa keuntungan, terutama ketika cerium (Ce) dimasukkan. Ce adalah alternatif yang hemat biaya untuk Nd dan HRE karena kelimpahannya. Dengan menggantikan sebagian Nd dengan Ce, biaya material dapat dikurangi sambil mempertahankan atau bahkan meningkatkan kinerja magnetik. Studi telah menunjukkan bahwa magnet Nd-Fe-B yang mengandung Ce yang diproses melalui GBD menunjukkan peningkatan signifikan dalam koersivitas. Misalnya, difusi Tb ke dalam magnet sinter (Ce,Nd)-Fe-B yang disiapkan dengan metode dual-main-phase telah ditemukan meningkatkan koersivitas hingga 65%, dengan pengurangan remanensi dan produk energi maksimum yang relatif kecil.
Perkembangan Terkini dan Arah Penelitian
Dalam beberapa tahun terakhir, teknologi GBD telah berkembang pesat dan mencapai industrialisasi. Aplikasi industri praktis dari GBD telah mengurangi konsumsi HRE lebih dari 50%. Namun, beberapa tantangan teknis dan teoretis masih ada. Salah satu masalah kritis adalah meningkatkan ketebalan magnet yang dapat diolah secara efektif oleh GBD. Praktik industri saat ini terutama berfokus pada magnet dengan ketebalan kurang dari 4 mm, dengan sedikit yang melebihi 8 mm. Untuk aplikasi yang memerlukan margin keamanan lebih tinggi, seperti motor dan generator yang beroperasi di atas 125°C, magnet yang lebih tebal lebih disukai.
Untuk mengatasi tantangan ini, para peneliti sedang menjajaki metode untuk meningkatkan laju difusi difusan, dengan tujuan meningkatkan kedalaman difusi pada magnet yang lebih tebal. Salah satu pendekatan melibatkan modifikasi komposisi difusan, seperti melalui paduan atau doping, untuk menyediakan saluran difusi yang lebih efisien. Misalnya, penggunaan campuran Al + TbH2 sebagai difusan telah ditemukan secara signifikan meningkatkan koersivitas magnet setebal 6,5 mm dibandingkan dengan menggunakan TbH2 saja. Pengenalan Al mendorong pembentukan fase batas butir lapisan tipis kontinu antara butir 2:14:1, meningkatkan kopling demagnetisasi dan dengan demikian meningkatkan koersivitas.
Perspektif Masa Depan
Masa depan teknologi GBD dengan Ce memiliki potensi besar untuk mengembangkan magnet Nd-Fe-B berkinerja tinggi dan hemat biaya. Penelitian terus berfokus pada pengoptimalan komposisi difusan, meningkatkan efisiensi difusi, dan memahami hubungan mikrostruktur-properti dalam magnet GBD. Selain itu, ada kebutuhan untuk mengembangkan metode untuk mengolah magnet yang lebih tebal secara efektif, memperluas jangkauan aplikasi teknologi GBD.
Kesimpulannya, perkembangan terbaru dalam teknologi GBD dengan Ce merupakan langkah maju yang signifikan dalam mengatasi keterbatasan magnet Nd-Fe-B tradisional. Dengan memanfaatkan sifat unik Ce dan mengoptimalkan proses GBD, para peneliti membuka jalan untuk adopsi luas magnet permanen berkinerja tinggi dan hemat biaya di berbagai industri, mendorong inovasi dan keberlanjutan di abad ke-21.
