In de 21e eeuw heeft de snelle vooruitgang van technologie op gebieden zoals het industriële internet, hernieuwbare energie, hogesnelheidsspoorvervoer, 5G-communicatie en intelligente productie een aanzienlijke invloed gehad op de wereldwijde industriële ontwikkeling. Het concept van "nieuwe infrastructuurbouw" dat in 2018 in China werd geïntroduceerd, onderstreept verder het belang van deze sectoren voor de nationale economische groei. Onder de materialen die cruciaal zijn voor deze vooruitgang, spelen neodymium-ijzer-boor (Nd-Fe-B) permanente magneten een cruciale rol vanwege hun uitzonderlijke magnetische eigenschappen, waarbij ze meer dan 50% van de permanente magneetmarkt bezetten. Traditionele Nd-Fe-B magneten staan echter voor uitdagingen, met name in toepassingen die een hoge temperatuurstabiliteit vereisen, zoals elektromotoren voor voertuigen en windturbinegeneratoren.
Uitdagingen in Traditionele Nd-Fe-B Magneten
Een van de belangrijkste beperkingen van commerciële gesinterde Nd-Fe-B magneten, vooral die zonder zware zeldzame aarden (HRE's), is hun lage coërciviteit (ongeveer 1200 kA/m) en Curietemperatuur (Tc = 312°C). Coërciviteit, een extrinsieke magnetische eigenschap, is nauw gerelateerd aan de samenstelling en microstructuur van de magneet. Het verhogen van de coërciviteit kan effectief demagnetisatie bij hogere temperaturen weerstaan, waardoor de thermische stabiliteit van de magneet wordt verbeterd.
Om dit probleem aan te pakken, zijn verschillende benaderingen verkend. Een methode omvat het toevoegen van kobalt (Co) legeringselementen om een deel van het ijzer (Fe) in de Nd2Fe14B-fase te vervangen, waardoor de Curietemperatuur (Tc) van de magneet wordt verhoogd. Overmatige Co verhoogt echter niet alleen de materiaalkosten, maar verslechtert ook de harde magnetische eigenschappen. Een andere strategie is het incorporeren van HRE-elementen zoals dysprosium (Dy) en terbium (Tb) om neodymium (Nd) in de 2:14:1-fase te vervangen, waardoor een (HRE, Nd)2Fe14B-fase wordt gevormd met een hoger magnetisch anisotropieveld. Helaas zijn HRE's schaars, met hun overvloed in de aardkorst minder dan 10% van die van Nd, wat leidt tot extreem hoge prijzen. Het introduceren van HRE's via traditionele smelting verhoogt de kosten van de magneet aanzienlijk, waarbij HRE-materialen 30% tot 50% van de uiteindelijke prijs van Nd-Fe-B magneten uitmaken. Bovendien vermindert de antiferromagnetische koppeling tussen HRE-atomen en Fe-atomen onvermijdelijk de remanentie en het magnetische energieproduct van de magneet.
Grenslaagdiffusie (GBD) Technologie
Als reactie op de groeiende vraag naar Nd-Fe-B magneten met hoge temperatuur, is de ontwikkeling van GBD-technologie naar voren gekomen als een veelbelovende oplossing. Voorgesteld door Nakamura et al. in 2005, maakt GBD-technologie gebruik van enkele elementen of verbindingen van HRE's als diffusiemiddelen. Door middel van diffusie-warmtebehandeling dringen HRE's de magneet binnen vanaf het oppervlak langs korrelgrenzen, waarbij ze zich in de korrelgrenzen en op de korreloppervlakken verdelen om de coërciviteit van de Nd-Fe-B magneet te verbeteren. Het diffusieproces vindt typisch plaats bij temperaturen boven het smeltpunt van de korrelgrensrijke zeldzame aardfase in de Nd-Fe-B magneet, wat snelle diffusie langs korrelgrenzen in de vloeistofrijke zeldzame aardfase vergemakkelijkt.
Het kernprincipe van GBD is dat de omkering van magnetisatiedomeinen eerst op de korreloppervlakken ontstaat, waardoor ze de zwakste schakel binnen de magneet vormen. Door het anisotropieveld op de korreloppervlakken te verhogen, kan de vorming van omkeringsdomeinen worden vertraagd, waardoor de coërciviteit van de gehele magneet wordt verbeterd. GBD verdeelt HRE's voornamelijk in de korrelgrenzen, waardoor hun binnendringen in de korrelinterieurs wordt geminimaliseerd. Deze benadering verhoogt niet alleen de coërciviteit, maar vermindert ook de nadelige effecten van HRE's op de remanentie, waardoor uitstekende algehele magnetische eigenschappen worden bereikt.
Voordelen van GBD-technologie met Ce
GBD-technologie biedt verschillende voordelen, vooral wanneer cerium (Ce) wordt opgenomen. Ce is een kosteneffectief alternatief voor Nd en HRE's vanwege zijn overvloed. Door een deel van Nd te vervangen door Ce, kunnen de materiaalkosten worden verlaagd terwijl de magnetische prestaties behouden blijven of zelfs worden verbeterd. Studies hebben aangetoond dat Ce-bevattende Nd-Fe-B magneten die zijn verwerkt via GBD aanzienlijke verbeteringen in coërciviteit vertonen. Bijvoorbeeld, Tb-diffusie in gesinterde (Ce,Nd)-Fe-B magneten bereid door de dual-main-phase methode heeft de coërciviteit met maximaal 65% verbeterd, met een relatief kleine vermindering in remanentie en maximaal energieproduct.
Recente Ontwikkelingen en Onderzoeksrichtingen
In de afgelopen jaren is GBD-technologie snel gevorderd en geïndustrialiseerd. Praktische industriële toepassingen van GBD hebben het HRE-verbruik met meer dan 50% verminderd. Er blijven echter verschillende technische en theoretische uitdagingen bestaan. Een cruciaal probleem is het vergroten van de dikte van magneten die effectief kunnen worden behandeld door GBD. De huidige industriële praktijk richt zich voornamelijk op magneten met een dikte van minder dan 4 mm, waarbij er weinig zijn die meer dan 8 mm overschrijden. Voor toepassingen die hogere veiligheidsmarges vereisen, zoals motoren en generatoren die boven 125°C werken, worden dikkere magneten geprefereerd.
Om deze uitdaging aan te pakken, onderzoeken onderzoekers methoden om de diffusiesnelheid van diffusanten te verbeteren, met als doel de diffusiediepte in dikkere magneten te vergroten. Een benadering omvat het wijzigen van de samenstelling van de diffusanten, bijvoorbeeld door middel van legering of doping, om efficiëntere diffusiekanalen te bieden. Zo is gebleken dat het gebruik van Al + TbH2 mengsels als diffusanten de coërciviteit van 6,5 mm dikke magneten aanzienlijk verbetert in vergelijking met het gebruik van alleen TbH2. De introductie van Al bevordert de vorming van continue dunne-laag korrelgrensfasen tussen 2:14:1 korrels, wat de demagnetiserende koppeling verbetert en daardoor de coërciviteit verbetert.
Toekomstperspectieven
De toekomst van GBD-technologie met Ce biedt aanzienlijke beloften voor de ontwikkeling van hoogwaardige, kosteneffectieve Nd-Fe-B magneten. Onderzoek blijft zich richten op het optimaliseren van diffusantsamenstellingen, het verbeteren van diffusie-efficiënties en het begrijpen van de microstructuur-eigenschapsrelaties in GBD-magneten. Daarnaast is er behoefte aan het ontwikkelen van methoden voor het effectief behandelen van dikkere magneten, waardoor het toepassingsbereik van GBD-technologie wordt uitgebreid.
Concluderend vertegenwoordigen de nieuwste ontwikkelingen in GBD-technologie met Ce een significante stap voorwaarts in het aanpakken van de beperkingen van traditionele Nd-Fe-B magneten. Door gebruik te maken van de unieke eigenschappen van Ce en het optimaliseren van het GBD-proces, banen onderzoekers de weg voor de brede acceptatie van hoogwaardige, kosteneffectieve permanente magneten in verschillende industrieën, wat innovatie en duurzaamheid in de 21e eeuw stimuleert.
