21세기에 산업 인터넷, 재생 에너지, 고속 철도 운송, 5G 통신 및 지능형 제조와 같은 분야에서 기술이 급속히 발전하면서 글로벌 산업 발전에 큰 영향을 미쳤습니다. 2018년 중국에서 도입된 "신기반시설 건설" 개념은 이러한 부문이 국가 경제 성장에 얼마나 중요한지를 더욱 강조합니다. 이러한 발전에 중요한 재료 중 하나인 네오디뮴-철-붕소(Nd-Fe-B) 영구 자석은 뛰어난 자기 특성으로 인해 영구 자석 시장의 50% 이상을 차지하고 있습니다. 그러나 전통적인 Nd-Fe-B 자석은 전기차 구동 모터 및 풍력 터빈 발전기와 같은 고온 안정성이 필요한 응용 분야에서 특히 도전에 직면하고 있습니다.
전통적인 Nd-Fe-B 자석의 도전 과제
상업적으로 사용되는 소결 Nd-Fe-B 자석, 특히 중희토류(HRE)가 없는 자석의 주요 제한 사항 중 하나는 낮은 보자력(약 1200 kA/m)과 큐리 온도(Tc = 312°C)입니다. 보자력은 외적 자기 특성으로, 자석의 구성 및 미세 구조와 밀접한 관련이 있습니다. 보자력을 증가시키면 고온에서의 탈자에 효과적으로 저항할 수 있어 자석의 열적 안정성을 향상시킬 수 있습니다.
이 문제를 해결하기 위해 여러 가지 접근 방식이 탐구되었습니다. 한 가지 방법은 Nd2Fe14B 상의 일부 철(Fe)을 대체하기 위해 코발트(Co) 합금 요소를 추가하여 자석의 큐리 온도(Tc)를 증가시키는 것입니다. 그러나 과도한 Co는 재료 비용을 증가시킬 뿐만 아니라 경자성 특성을 저하시킵니다. 또 다른 전략은 디스프로슘(Dy) 및 테르븀(Tb)과 같은 HRE 요소를 도입하여 2:14:1 상의 네오디뮴(Nd)을 대체하여 더 높은 자기 이방성 필드를 가진 (HRE, Nd)2Fe14B 상을 형성하는 것입니다. 불행히도, HRE는 희소하며, 지각에서의 풍부함이 Nd의 10% 미만이어서 가격이 매우 높습니다. 전통적인 용해를 통해 HRE를 도입하면 자석의 비용이 크게 증가하며, HRE 재료는 Nd-Fe-B 자석의 최종 가격의 30%에서 50%를 차지합니다. 또한, HRE 원자와 Fe 원자 간의 반강자성 결합은 자석의 잔류 자기 및 자기 에너지 제품을 필연적으로 감소시킵니다.
곡물 경계 확산(GBD) 기술
고온 Nd-Fe-B 자석에 대한 수요 증가에 대응하여 GBD 기술의 개발이 유망한 해결책으로 부상했습니다. 2005년 Nakamura 등은 GBD 기술을 제안했으며, 이는 HRE의 단일 요소 또는 화합물을 확산제로 사용합니다. 확산 열처리를 통해 HRE는 곡물 경계를 따라 자석의 표면에서 침투하여 곡물 경계와 곡물 표면에 분포하여 Nd-Fe-B 자석의 보자력을 향상시킵니다. 확산 과정은 일반적으로 Nd-Fe-B 자석의 곡물 경계가 풍부한 희토류 상의 융점 이상에서 발생하여 액체가 풍부한 희토류 상의 곡물 경계를 따라 빠른 확산을 촉진합니다.
GBD의 핵심 원리는 자화 도메인의 반전이 먼저 곡물 표면에서 형성되어 자석 내에서 가장 약한 연결 고리가 된다는 것입니다. 곡물 표면에서의 이방성 필드를 증가시킴으로써 반전 도메인의 형성을 지연시켜 전체 자석의 보자력을 향상시킬 수 있습니다. GBD는 HRE를 주로 곡물 경계에 분포시켜 곡물 내부로의 진입을 최소화합니다. 이 접근 방식은 보자력을 높일 뿐만 아니라 HRE가 잔류 자기에 미치는 부정적인 영향을 완화하여 우수한 전체 자기 특성을 달성합니다.
Ce를 사용한 GBD 기술의 장점
GBD 기술은 특히 세륨(Ce)이 포함될 때 여러 가지 장점을 제공합니다. Ce는 풍부함으로 인해 Nd 및 HRE에 대한 비용 효율적인 대안입니다. Nd의 일부를 Ce로 대체함으로써 재료 비용을 줄이면서도 자기 성능을 유지하거나 향상시킬 수 있습니다. 연구에 따르면 GBD를 통해 처리된 Ce 함유 Nd-Fe-B 자석은 보자력에서 상당한 개선을 보입니다. 예를 들어, 이중 주상법으로 준비된 소결 (Ce,Nd)-Fe-B 자석에 Tb 확산을 적용하면 보자력이 최대 65% 향상되며, 잔류 자화 및 최대 에너지 곱의 감소는 상대적으로 적습니다.
최근 개발 및 연구 방향
최근 몇 년 동안 GBD 기술은 빠르게 발전하여 산업화에 성공했습니다. GBD의 실질적인 산업 응용은 HRE 소비를 50% 이상 줄였습니다. 그러나 여전히 여러 기술적 및 이론적 과제가 남아 있습니다. 중요한 문제 중 하나는 GBD로 효과적으로 처리할 수 있는 자석의 두께를 증가시키는 것입니다. 현재 산업 관행은 주로 두께가 4 mm 미만인 자석에 초점을 맞추고 있으며, 8 mm를 초과하는 경우는 드뭅니다. 125°C 이상의 온도에서 작동하는 모터 및 발전기와 같은 응용 분야에서는 더 두꺼운 자석이 선호됩니다.
이 문제를 해결하기 위해 연구자들은 확산제의 확산 속도를 향상시키는 방법을 탐구하고 있으며, 두꺼운 자석에서 확산 깊이를 증가시키는 것을 목표로 하고 있습니다. 한 가지 접근 방식은 합금화 또는 도핑을 통해 확산제의 구성을 수정하여 보다 효율적인 확산 경로를 제공하는 것입니다. 예를 들어, Al + TbH2 혼합물을 확산제로 사용하는 것이 TbH2 단독 사용에 비해 6.5 mm 두께의 자석의 보자력을 크게 향상시키는 것으로 밝혀졌습니다. Al의 도입은 2:14:1 입자 사이에 연속적인 얇은 층의 입계 상을 형성하여 탈자 결합을 강화하고 보자력을 향상시킵니다.
미래 전망
Ce를 사용한 GBD 기술의 미래는 고성능, 비용 효율적인 Nd-Fe-B 자석을 개발하는 데 상당한 가능성을 가지고 있습니다. 연구는 확산제 조성 최적화, 확산 효율성 향상, GBD 자석의 미세구조-특성 관계 이해에 계속 초점을 맞추고 있습니다. 또한, 더 두꺼운 자석을 효과적으로 처리하는 방법을 개발하여 GBD 기술의 응용 범위를 확장할 필요가 있습니다.
결론적으로, Ce를 사용한 GBD 기술의 최신 개발은 전통적인 Nd-Fe-B 자석의 한계를 해결하는 데 있어 중요한 진전을 나타냅니다. Ce의 독특한 특성을 활용하고 GBD 프로세스를 최적화함으로써 연구자들은 다양한 산업에서 고성능, 비용 효율적인 영구 자석의 광범위한 채택을 위한 길을 열고 있으며, 21세기의 혁신과 지속 가능성을 촉진하고 있습니다.
