No século XXI, o rápido avanço da tecnologia em áreas como internet industrial, energia renovável, transporte ferroviário de alta velocidade, comunicações 5G e manufatura inteligente influenciou significativamente o desenvolvimento industrial global. O conceito de "nova construção de infraestrutura" introduzido na China em 2018 destaca ainda mais a importância desses setores no crescimento econômico nacional. Entre os materiais cruciais para esses avanços, os ímãs permanentes de neodímio-ferro-boro (Nd-Fe-B) desempenham um papel fundamental devido às suas propriedades magnéticas excepcionais, ocupando mais de 50% do mercado de ímãs permanentes. No entanto, os ímãs tradicionais de Nd-Fe-B enfrentam desafios, particularmente em aplicações que exigem estabilidade em altas temperaturas, como motores de tração de veículos elétricos e geradores de turbinas eólicas.
Desafios nos Ímãs Tradicionais de Nd-Fe-B
Uma das principais limitações dos ímãs comerciais de Nd-Fe-B sinterizados, especialmente aqueles sem terras raras pesadas (HREs), é sua baixa coercividade (cerca de 1200 kA/m) e temperatura de Curie (Tc = 312°C). A coercividade, uma propriedade magnética extrínseca, está intimamente relacionada à composição e microestrutura do ímã. Aumentar a coercividade pode efetivamente resistir à desmagnetização em temperaturas mais altas, melhorando assim a estabilidade térmica do ímã.
Para resolver este problema, várias abordagens foram exploradas. Um método envolve a adição de elementos de liga de cobalto (Co) para substituir parte do ferro (Fe) na fase Nd2Fe14B, aumentando assim a temperatura de Curie (Tc) do ímã. No entanto, o excesso de Co não só eleva os custos dos materiais, mas também degrada as propriedades magnéticas duras. Outra estratégia é incorporar elementos HRE como disprósio (Dy) e térbio (Tb) para substituir o neodímio (Nd) na fase 2:14:1, formando uma fase (HRE, Nd)2Fe14B com um campo de anisotropia magnética mais alto. Infelizmente, os HREs são escassos, com sua abundância na crosta terrestre sendo inferior a 10% da do Nd, levando a preços extremamente altos. A introdução de HREs através da fusão tradicional aumenta significativamente o custo do ímã, com materiais HRE representando de 30% a 50% do preço final dos ímãs de Nd-Fe-B. Além disso, o acoplamento antiferromagnético entre átomos de HRE e átomos de Fe inevitavelmente reduz a remanência e o produto de energia magnética do ímã.
Tecnologia de Difusão de Fronteira de Grão (GBD)
Em resposta à crescente demanda por ímãs de Nd-Fe-B de alta temperatura, o desenvolvimento da tecnologia GBD surgiu como uma solução promissora. Proposta por Nakamura et al. em 2005, a tecnologia GBD utiliza elementos únicos ou compostos de HREs como difusantes. Através do tratamento térmico de difusão, os HREs penetram no ímã a partir da superfície ao longo das fronteiras dos grãos, distribuindo-se nas fronteiras dos grãos e nas superfícies dos grãos para aumentar a coercividade do ímã de Nd-Fe-B. O processo de difusão ocorre tipicamente em temperaturas acima do ponto de fusão da fase rica em terras raras na fronteira dos grãos do ímã de Nd-Fe-B, facilitando a rápida difusão ao longo das fronteiras dos grãos na fase rica em terras raras líquidas.
O princípio central do GBD é que a reversão dos domínios de magnetização se forma primeiro nas superfícies dos grãos, tornando-os o elo mais fraco dentro do ímã. Ao aumentar o campo de anisotropia nas superfícies dos grãos, a formação de domínios de reversão pode ser retardada, aumentando assim a coercividade de todo o ímã. O GBD distribui HREs predominantemente nas fronteiras dos grãos, minimizando sua entrada nos interiores dos grãos. Esta abordagem não só aumenta a coercividade, mas também mitiga os efeitos adversos dos HREs na remanência, alcançando excelentes propriedades magnéticas gerais.
Vantagens da Tecnologia GBD com Ce
A tecnologia GBD oferece várias vantagens, particularmente quando o cério (Ce) é incorporado. O Ce é uma alternativa econômica ao Nd e HREs devido à sua abundância. Ao substituir uma parte do Nd por Ce, o custo do material pode ser reduzido enquanto se mantém ou até se melhora o desempenho magnético. Estudos mostraram que ímãs de Nd-Fe-B contendo Ce processados através de GBD exibem melhorias significativas na coercividade. Por exemplo, a difusão de Tb em ímãs sinterizados de (Ce,Nd)-Fe-B preparados pelo método de dupla fase principal foi encontrada para aumentar a coercividade em até 65%, com uma redução relativamente pequena na remanência e no produto de energia máximo.
Desenvolvimentos Recentes e Direções de Pesquisa
Nos últimos anos, a tecnologia GBD avançou rapidamente e alcançou a industrialização. Aplicações industriais práticas de GBD reduziram o consumo de HRE em mais de 50%. No entanto, vários desafios técnicos e teóricos permanecem. Uma questão crítica é aumentar a espessura dos ímãs que podem ser tratados de forma eficaz por GBD. A prática industrial atual foca principalmente em ímãs com espessuras inferiores a 4 mm, com poucos excedendo 8 mm. Para aplicações que requerem margens de segurança mais altas, como motores e geradores operando acima de 125°C, ímãs mais espessos são preferidos.
Para enfrentar esse desafio, os pesquisadores estão explorando métodos para aumentar a taxa de difusão dos difusantes, visando aumentar a profundidade de difusão em ímãs mais espessos. Uma abordagem envolve a modificação da composição dos difusantes, como através de ligas ou dopagem, para fornecer canais de difusão mais eficientes. Por exemplo, o uso de misturas de Al + TbH2 como difusantes foi encontrado para melhorar significativamente a coercividade de ímãs de 6,5 mm de espessura em comparação com o uso de TbH2 sozinho. A introdução de Al promove a formação de fases de limite de grão em camadas finas contínuas entre grãos 2:14:1, melhorando o acoplamento desmagnetizante e, assim, melhorando a coercividade.
Perspectivas Futuras
O futuro da tecnologia GBD com Ce detém considerável promessa para o desenvolvimento de ímãs de Nd-Fe-B de alto desempenho e custo-efetivo. A pesquisa continua a se concentrar na otimização das composições de difusantes, melhorando as eficiências de difusão e compreendendo as relações microestrutura-propriedade em ímãs GBD. Além disso, há a necessidade de desenvolver métodos para tratar ímãs mais espessos de forma eficaz, expandindo o alcance de aplicação da tecnologia GBD.
Em conclusão, os últimos desenvolvimentos na tecnologia GBD com Ce representam um avanço significativo na abordagem das limitações dos ímãs tradicionais de Nd-Fe-B. Ao aproveitar as propriedades únicas do Ce e otimizar o processo GBD, os pesquisadores estão abrindo caminho para a adoção generalizada de ímãs permanentes de alto desempenho e custo-efetivo em várias indústrias, impulsionando a inovação e a sustentabilidade no século XXI.
