ในศตวรรษที่ 21 การพัฒนาเทคโนโลยีอย่างรวดเร็วในสาขาต่างๆ เช่น อินเทอร์เน็ตอุตสาหกรรม พลังงานหมุนเวียน การขนส่งทางรถไฟความเร็วสูง การสื่อสาร 5G และการผลิตอัจฉริยะ ได้ส่งผลกระทบอย่างมากต่อการพัฒนาอุตสาหกรรมทั่วโลก แนวคิด "การก่อสร้างโครงสร้างพื้นฐานใหม่" ที่เปิดตัวในประเทศจีนในปี 2018 ยิ่งเน้นย้ำถึงความสำคัญของภาคส่วนเหล่านี้ในการเติบโตทางเศรษฐกิจของประเทศ ในบรรดาวัสดุที่มีความสำคัญต่อความก้าวหน้าเหล่านี้ แม่เหล็กถาวรนีโอดิเมียม-เหล็ก-โบรอน (Nd-Fe-B) มีบทบาทสำคัญเนื่องจากคุณสมบัติแม่เหล็กที่ยอดเยี่ยม ครองตลาดแม่เหล็กถาวรมากกว่า 50% อย่างไรก็ตาม แม่เหล็ก Nd-Fe-B แบบดั้งเดิมเผชิญกับความท้าทาย โดยเฉพาะอย่างยิ่งในการใช้งานที่ต้องการเสถียรภาพอุณหภูมิสูง เช่น มอเตอร์ขับเคลื่อนยานยนต์ไฟฟ้าและเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากังหันลม
ความท้าทายในแม่เหล็ก Nd-Fe-B แบบดั้งเดิม
หนึ่งในข้อจำกัดหลักของแม่เหล็ก Nd-Fe-B ที่ผ่านการเผาเชิงพาณิชย์ โดยเฉพาะอย่างยิ่งแม่เหล็กที่ไม่มีธาตุหายากหนัก (HREs) คือการมีความหน่วงต่ำ (ประมาณ 1200 kA/m) และอุณหภูมิคิวรี (Tc = 312°C) ความหน่วงซึ่งเป็นสมบัติแม่เหล็กภายนอกมีความสัมพันธ์ใกล้ชิดกับองค์ประกอบและโครงสร้างจุลภาคของแม่เหล็ก การเพิ่มความหน่วงสามารถต้านทานการลดแม่เหล็กที่อุณหภูมิสูงขึ้นได้อย่างมีประสิทธิภาพ จึงเพิ่มเสถียรภาพทางความร้อนของแม่เหล็ก
เพื่อแก้ไขปัญหานี้ ได้มีการสำรวจวิธีการหลายวิธี หนึ่งในวิธีการคือการเพิ่มธาตุอัลลอยโคบอลต์ (Co) เพื่อแทนที่บางส่วนของเหล็ก (Fe) ในเฟส Nd2Fe14B ซึ่งจะเพิ่มอุณหภูมิคิวรี (Tc) ของแม่เหล็ก อย่างไรก็ตาม การใช้ Co มากเกินไปไม่เพียงแต่เพิ่มต้นทุนวัสดุ แต่ยังลดคุณสมบัติแม่เหล็กแข็งอีกด้วย อีกกลยุทธ์หนึ่งคือการรวมธาตุ HRE เช่น ดิสโพรเซียม (Dy) และเทอร์เบียม (Tb) เพื่อแทนที่นีโอดิเมียม (Nd) ในเฟส 2:14:1 ทำให้เกิดเฟส (HRE, Nd)2Fe14B ที่มีสนามแอนไอโซโทรปีแม่เหล็กสูงขึ้น น่าเสียดายที่ HRE มีความหายาก โดยมีปริมาณในเปลือกโลกน้อยกว่า 10% ของ Nd ทำให้มีราคาสูงมาก การนำ HRE เข้าผ่านการหลอมแบบดั้งเดิมเพิ่มต้นทุนของแม่เหล็กอย่างมาก โดยวัสดุ HRE คิดเป็น 30% ถึง 50% ของราคาสุดท้ายของแม่เหล็ก Nd-Fe-B นอกจากนี้ การจับคู่แอนติเฟอร์โรแมกเนติกระหว่างอะตอม HRE และอะตอม Fe ยังลดการคงเหลือและพลังงานแม่เหล็กของแม่เหล็กอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้
เทคโนโลยีการกระจายขอบเขตของเกรน (GBD)
เพื่อตอบสนองต่อความต้องการที่เพิ่มขึ้นสำหรับแม่เหล็ก Nd-Fe-B ที่ทนอุณหภูมิสูง การพัฒนาเทคโนโลยี GBD ได้กลายเป็นทางออกที่มีแนวโน้มดี เทคโนโลยี GBD ที่เสนอโดย Nakamura et al. ในปี 2005 ใช้ธาตุเดี่ยวหรือสารประกอบของ HREs เป็นตัวกระจาย ผ่านการอบความร้อนแบบกระจาย HREs จะซึมเข้าสู่แม่เหล็กจากพื้นผิวตามขอบเขตของเกรน กระจายในขอบเขตของเกรนและบนพื้นผิวของเกรนเพื่อเพิ่มความหน่วงของแม่เหล็ก Nd-Fe-B กระบวนการกระจายมักเกิดขึ้นที่อุณหภูมิสูงกว่าจุดหลอมเหลวของเฟสหายากที่อุดมไปด้วยขอบเขตของเกรนในแม่เหล็ก Nd-Fe-B ช่วยให้การกระจายอย่างรวดเร็วตามขอบเขตของเกรนในเฟสหายากที่อุดมไปด้วยของเหลว
หลักการสำคัญของ GBD คือการกลับทิศทางของโดเมนแม่เหล็กจะเกิดขึ้นที่พื้นผิวของเกรนก่อน ทำให้เป็นจุดอ่อนที่สุดภายในแม่เหล็ก โดยการเพิ่มสนามแอนไอโซโทรปีที่พื้นผิวของเกรน การเกิดโดเมนกลับทิศทางสามารถล่าช้าได้ จึงเพิ่มความหน่วงของแม่เหล็กทั้งหมด GBD กระจาย HREs ส่วนใหญ่ในขอบเขตของเกรน ลดการเข้าสู่ภายในของเกรน วิธีการนี้ไม่เพียงแต่เพิ่มความหน่วง แต่ยังลดผลกระทบที่ไม่พึงประสงค์ของ HREs ต่อการคงเหลือ ทำให้ได้คุณสมบัติแม่เหล็กที่ยอดเยี่ยมโดยรวม
ข้อดีของเทคโนโลยี GBD ที่มี Ce
เทคโนโลยี GBD มีข้อดีหลายประการ โดยเฉพาะเมื่อมีการผสมเซอร์เรียม (Ce) เซอร์เรียมเป็นทางเลือกที่คุ้มค่าต่อการใช้ Nd และ HREs เนื่องจากมีความอุดมสมบูรณ์ โดยการแทนที่ส่วนหนึ่งของ Nd ด้วย Ce สามารถลดต้นทุนวัสดุได้ในขณะที่ยังคงหรือแม้กระทั่งเพิ่มประสิทธิภาพทางแม่เหล็ก การศึกษาพบว่าแม่เหล็ก Nd-Fe-B ที่มี Ce และผ่านกระบวนการ GBD แสดงการปรับปรุงในความสามารถในการต้านทานการลบล้างแม่เหล็กอย่างมีนัยสำคัญ ตัวอย่างเช่น การแพร่กระจายของ Tb เข้าไปในแม่เหล็ก (Ce,Nd)-Fe-B ที่เตรียมโดยวิธีสองเฟสหลักพบว่าช่วยเพิ่มความสามารถในการต้านทานการลบล้างแม่เหล็กได้ถึง 65% โดยมีการลดลงของความหนาแน่นของฟลักซ์แม่เหล็กและพลังงานสูงสุดเพียงเล็กน้อย
การพัฒนาและทิศทางการวิจัยล่าสุด
ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา เทคโนโลยี GBD ได้พัฒนาอย่างรวดเร็วและเข้าสู่การใช้งานในอุตสาหกรรม การประยุกต์ใช้ GBD ในอุตสาหกรรมได้ลดการใช้ HRE ลงมากกว่า 50% อย่างไรก็ตาม ยังมีความท้าทายทางเทคนิคและทฤษฎีหลายประการ หนึ่งในปัญหาสำคัญคือการเพิ่มความหนาของแม่เหล็กที่สามารถรับการบำบัดด้วย GBD ได้อย่างมีประสิทธิภาพ การปฏิบัติในอุตสาหกรรมปัจจุบันมุ่งเน้นไปที่แม่เหล็กที่มีความหนาน้อยกว่า 4 มม. โดยมีเพียงไม่กี่ชิ้นที่เกิน 8 มม. สำหรับการใช้งานที่ต้องการความปลอดภัยสูง เช่น มอเตอร์และเครื่องกำเนิดไฟฟ้าที่ทำงานที่อุณหภูมิเกิน 125°C แม่เหล็กที่หนากว่าจะเป็นที่ต้องการ
เพื่อแก้ไขปัญหานี้ นักวิจัยกำลังสำรวจวิธีการเพิ่มอัตราการแพร่กระจายของสารแพร่ โดยมุ่งหวังที่จะเพิ่มความลึกของการแพร่กระจายในแม่เหล็กที่หนาขึ้น วิธีหนึ่งคือการปรับเปลี่ยนองค์ประกอบของสารแพร่ เช่น ผ่านการผสมหรือการเติมสาร เพื่อให้มีช่องทางการแพร่กระจายที่มีประสิทธิภาพมากขึ้น ตัวอย่างเช่น การใช้ส่วนผสมของ Al + TbH2 เป็นสารแพร่พบว่าสามารถปรับปรุงความสามารถในการต้านทานการลบล้างแม่เหล็กของแม่เหล็กที่มีความหนา 6.5 มม. ได้อย่างมีนัยสำคัญเมื่อเทียบกับการใช้ TbH2 เพียงอย่างเดียว การแนะนำ Al ช่วยส่งเสริมการก่อตัวของชั้นบาง ๆ ที่ต่อเนื่องระหว่างเม็ดขอบเขตของเฟส 2:14:1 ซึ่งช่วยเพิ่มการเชื่อมต่อการลบล้างแม่เหล็กและปรับปรุงความสามารถในการต้านทานการลบล้างแม่เหล็ก
มุมมองในอนาคต
อนาคตของเทคโนโลยี GBD ที่มี Ce มีความหวังอย่างมากในการพัฒนาแม่เหล็ก Nd-Fe-B ที่มีประสิทธิภาพสูงและคุ้มค่า การวิจัยยังคงมุ่งเน้นไปที่การปรับปรุงองค์ประกอบของสารแพร่ การเพิ่มประสิทธิภาพการแพร่กระจาย และการทำความเข้าใจความสัมพันธ์ระหว่างโครงสร้างจุลภาคและคุณสมบัติในแม่เหล็ก GBD นอกจากนี้ยังมีความจำเป็นในการพัฒนาวิธีการบำบัดแม่เหล็กที่หนาขึ้นอย่างมีประสิทธิภาพ ขยายขอบเขตการประยุกต์ใช้เทคโนโลยี GBD
สรุปได้ว่าการพัฒนาเทคโนโลยี GBD ล่าสุดที่มี Ce เป็นก้าวสำคัญในการแก้ไขข้อจำกัดของแม่เหล็ก Nd-Fe-B แบบดั้งเดิม โดยการใช้ประโยชน์จากคุณสมบัติพิเศษของ Ce และการปรับปรุงกระบวนการ GBD นักวิจัยกำลังเปิดทางให้กับการยอมรับอย่างแพร่หลายของแม่เหล็กถาวรที่มีประสิทธิภาพสูงและคุ้มค่าในอุตสาหกรรมต่าง ๆ ขับเคลื่อนนวัตกรรมและความยั่งยืนในศตวรรษที่ 21
