في القرن الحادي والعشرين، أثرت التقدمات السريعة في التكنولوجيا في مجالات مثل الإنترنت الصناعي، الطاقة المتجددة، النقل بالسكك الحديدية عالية السرعة، اتصالات الجيل الخامس، والتصنيع الذكي بشكل كبير على التنمية الصناعية العالمية. ويؤكد مفهوم "البنية التحتية الجديدة" الذي تم تقديمه في الصين في عام 2018 على أهمية هذه القطاعات في النمو الاقتصادي الوطني. من بين المواد الحيوية لهذه التطورات، تلعب مغناطيسات النيوديميوم-الحديد-البورون (Nd-Fe-B) الدائمة دورًا محوريًا بفضل خصائصها المغناطيسية الاستثنائية، حيث تحتل أكثر من 50% من سوق المغناطيسات الدائمة. ومع ذلك، تواجه مغناطيسات Nd-Fe-B التقليدية تحديات، خاصة في التطبيقات التي تتطلب استقرارًا حراريًا عاليًا، مثل محركات السيارات الكهربائية ومولدات توربينات الرياح.
التحديات في مغناطيسات Nd-Fe-B التقليدية
أحد القيود الرئيسية لمغناطيسات Nd-Fe-B التجارية الملبدة، خاصة تلك التي لا تحتوي على العناصر الأرضية النادرة الثقيلة (HREs)، هو انخفاض القوة القسرية (حوالي 1200 كا/م) ودرجة حرارة كوري (Tc = 312°C). القوة القسرية، وهي خاصية مغناطيسية خارجية، ترتبط ارتباطًا وثيقًا بتكوين وهيكل المغناطيس. يمكن لزيادة القوة القسرية أن تقاوم بشكل فعال إزالة المغناطيسية في درجات حرارة أعلى، مما يعزز استقرار المغناطيس الحراري.
لمعالجة هذه المشكلة، تم استكشاف عدة طرق. تتضمن إحدى الطرق إضافة عناصر سبيكة الكوبالت (Co) لاستبدال بعض الحديد (Fe) في طور Nd2Fe14B، مما يزيد من درجة حرارة كوري (Tc) للمغناطيس. ومع ذلك، فإن الكوبالت الزائد لا يزيد فقط من تكاليف المواد بل يضعف أيضًا الخصائص المغناطيسية الصلبة. استراتيجية أخرى هي دمج عناصر الأرض النادرة الثقيلة مثل الديسبروسيوم (Dy) والتيربيوم (Tb) لاستبدال النيوديميوم (Nd) في الطور 2:14:1، مكونة طور (HRE, Nd)2Fe14B مع مجال أنيسوتروبي مغناطيسي أعلى. للأسف، العناصر الأرضية النادرة الثقيلة نادرة، حيث أن وفرتها في قشرة الأرض أقل من 10% من وفرة النيوديميوم، مما يؤدي إلى أسعار مرتفعة للغاية. إدخال العناصر الأرضية النادرة الثقيلة من خلال الصهر التقليدي يزيد بشكل كبير من تكلفة المغناطيس، حيث تشكل مواد العناصر الأرضية النادرة الثقيلة 30% إلى 50% من السعر النهائي لمغناطيسات Nd-Fe-B. علاوة على ذلك، فإن الاقتران المضاد للمغناطيسية بين ذرات العناصر الأرضية النادرة الثقيلة وذرات الحديد يقلل بشكل حتمي من البقايا ومنتج الطاقة المغناطيسية للمغناطيس.
تقنية انتشار حدود الحبيبات (GBD)
استجابة للطلب المتزايد على مغناطيسات Nd-Fe-B ذات درجات الحرارة العالية، ظهرت تقنية GBD كحل واعد. اقترحها ناكامورا وآخرون في عام 2005، تستخدم تقنية GBD عناصر فردية أو مركبات من العناصر الأرضية النادرة الثقيلة كمواد ناشرة. من خلال معالجة الحرارة بالانتشار، تخترق العناصر الأرضية النادرة الثقيلة المغناطيس من السطح على طول حدود الحبيبات، وتتوزع في حدود الحبيبات وعلى أسطح الحبيبات لتعزيز القوة القسرية لمغناطيس Nd-Fe-B. تحدث عملية الانتشار عادة في درجات حرارة أعلى من نقطة انصهار الطور الغني بالعناصر الأرضية النادرة في مغناطيس Nd-Fe-B، مما يسهل الانتشار السريع على طول حدود الحبيبات في الطور السائل الغني بالعناصر الأرضية النادرة.
المبدأ الأساسي لتقنية GBD هو أن انعكاس المجالات المغناطيسية يتشكل أولاً على أسطح الحبيبات، مما يجعلها الحلقة الأضعف داخل المغناطيس. من خلال زيادة مجال الأنيسوتروبي على أسطح الحبيبات، يمكن تأخير تشكيل المجالات العكسية، وبالتالي تعزيز القوة القسرية للمغناطيس بأكمله. توزع تقنية GBD العناصر الأرضية النادرة الثقيلة (HREs) بشكل رئيسي في حدود الحبيبات، مما يقلل من دخولها إلى داخل الحبيبات. لا يعزز هذا النهج القوة القسرية فحسب، بل يخفف أيضًا من الآثار السلبية للعناصر الأرضية النادرة الثقيلة على البقايا، محققًا خصائص مغناطيسية ممتازة بشكل عام.
مزايا تقنية GBD مع السيريوم
تقدم تقنية GBD العديد من المزايا، خاصة عند دمج السيريوم (Ce). يُعتبر السيريوم بديلاً اقتصاديًا للنيوديميوم والعناصر الأرضية النادرة بسبب وفرته. من خلال استبدال جزء من النيوديميوم بالسيريوم، يمكن تقليل تكلفة المواد مع الحفاظ على الأداء المغناطيسي أو حتى تحسينه. أظهرت الدراسات أن المغناطيسات المحتوية على السيريوم من نوع Nd-Fe-B التي تمت معالجتها بتقنية GBD تظهر تحسينات كبيرة في القوة القسرية. على سبيل المثال، تم العثور على أن انتشار التيربيوم في مغناطيسات (Ce,Nd)-Fe-B الملبدة والمحضرة بطريقة الطور الرئيسي المزدوج يعزز القوة القسرية بنسبة تصل إلى 65%، مع تقليل طفيف نسبيًا في البقايا والمنتج الطاقي الأقصى.
التطورات الأخيرة واتجاهات البحث
في السنوات الأخيرة، تقدمت تقنية GBD بسرعة وحققت التصنيع الصناعي. التطبيقات الصناعية العملية لتقنية GBD قد قللت من استهلاك العناصر الأرضية النادرة بأكثر من 50%. ومع ذلك، لا تزال هناك العديد من التحديات التقنية والنظرية. إحدى القضايا الحرجة هي زيادة سمك المغناطيسات التي يمكن معالجتها بفعالية بواسطة GBD. تركز الممارسة الصناعية الحالية بشكل رئيسي على المغناطيسات ذات السماكات الأقل من 4 مم، مع قلة تتجاوز 8 مم. للتطبيقات التي تتطلب هوامش أمان أعلى، مثل المحركات والمولدات التي تعمل فوق 125 درجة مئوية، يُفضل استخدام مغناطيسات أكثر سمكًا.
لمعالجة هذا التحدي، يستكشف الباحثون طرقًا لتعزيز معدل انتشار المواد المنتشرة، بهدف زيادة عمق الانتشار في المغناطيسات الأكثر سمكًا. تتضمن إحدى الطرق تعديل تركيب المواد المنتشرة، مثل من خلال السبائك أو التطعيم، لتوفير قنوات انتشار أكثر كفاءة. على سبيل المثال، تم العثور على أن استخدام خلطات Al + TbH2 كمواد منتشرة يحسن بشكل كبير من القوة القسرية للمغناطيسات بسمك 6.5 مم مقارنة باستخدام TbH2 وحده. يعزز إدخال الألومنيوم تشكيل طبقات رقيقة مستمرة من الأطوار الحدودية بين حبيبات 2:14:1، مما يعزز الاقتران المغناطيسي وبالتالي يحسن القوة القسرية.
آفاق المستقبل
يحمل مستقبل تقنية GBD مع السيريوم وعدًا كبيرًا لتطوير مغناطيسات Nd-Fe-B عالية الأداء وذات تكلفة فعالة. يستمر البحث في التركيز على تحسين تركيبات المواد المنتشرة، وتعزيز كفاءة الانتشار، وفهم العلاقات بين البنية المجهرية والخصائص في مغناطيسات GBD. بالإضافة إلى ذلك، هناك حاجة لتطوير طرق لمعالجة المغناطيسات الأكثر سمكًا بفعالية، مما يوسع نطاق تطبيق تقنية GBD.
في الختام، تمثل التطورات الأخيرة في تقنية GBD مع السيريوم خطوة كبيرة إلى الأمام في معالجة قيود المغناطيسات التقليدية من نوع Nd-Fe-B. من خلال الاستفادة من الخصائص الفريدة للسيريوم وتحسين عملية GBD، يمهد الباحثون الطريق لاعتماد واسع النطاق للمغناطيسات الدائمة عالية الأداء وذات التكلفة الفعالة في مختلف الصناعات، مما يدفع الابتكار والاستدامة في القرن الحادي والعشرين.
