Trong thế kỷ 21, sự tiến bộ nhanh chóng của công nghệ trong các lĩnh vực như internet công nghiệp, năng lượng tái tạo, giao thông đường sắt cao tốc, truyền thông 5G và sản xuất thông minh đã ảnh hưởng đáng kể đến sự phát triển công nghiệp toàn cầu. Khái niệm "xây dựng cơ sở hạ tầng mới" được giới thiệu ở Trung Quốc vào năm 2018 càng nhấn mạnh tầm quan trọng của các lĩnh vực này trong tăng trưởng kinh tế quốc gia. Trong số các vật liệu quan trọng đối với những tiến bộ này, nam châm vĩnh cửu neodymium-sắt-boron (Nd-Fe-B) đóng vai trò then chốt nhờ vào các tính chất từ tính xuất sắc của chúng, chiếm hơn 50% thị trường nam châm vĩnh cửu. Tuy nhiên, nam châm Nd-Fe-B truyền thống đối mặt với thách thức, đặc biệt trong các ứng dụng yêu cầu độ ổn định nhiệt độ cao, như động cơ truyền động xe điện và máy phát điện tuabin gió.
Thách Thức Trong Nam Châm Nd-Fe-B Truyền Thống
Một trong những hạn chế chính của nam châm Nd-Fe-B thiêu kết thương mại, đặc biệt là những nam châm không có các nguyên tố đất hiếm nặng (HRE), là lực kháng từ thấp (khoảng 1200 kA/m) và nhiệt độ Curie (Tc = 312°C). Lực kháng từ, một tính chất từ tính ngoại sinh, có liên quan chặt chẽ đến thành phần và cấu trúc vi mô của nam châm. Tăng lực kháng từ có thể chống lại sự khử từ ở nhiệt độ cao hơn, do đó tăng cường độ ổn định nhiệt của nam châm.
Để giải quyết vấn đề này, một số phương pháp đã được khám phá. Một phương pháp liên quan đến việc thêm các nguyên tố hợp kim cobalt (Co) để thay thế một phần sắt (Fe) trong pha Nd2Fe14B, từ đó tăng nhiệt độ Curie (Tc) của nam châm. Tuy nhiên, Co quá mức không chỉ làm tăng chi phí vật liệu mà còn làm giảm các tính chất từ cứng. Một chiến lược khác là kết hợp các nguyên tố HRE như dysprosium (Dy) và terbium (Tb) để thay thế neodymium (Nd) trong pha 2:14:1, hình thành pha (HRE, Nd)2Fe14B với trường dị hướng từ cao hơn. Đáng tiếc, HRE rất hiếm, với sự phong phú của chúng trong vỏ Trái Đất ít hơn 10% so với Nd, dẫn đến giá cực kỳ cao. Việc giới thiệu HRE thông qua phương pháp nấu chảy truyền thống làm tăng đáng kể chi phí của nam châm, với vật liệu HRE chiếm 30% đến 50% giá cuối cùng của nam châm Nd-Fe-B. Hơn nữa, sự ghép nối phản sắt từ giữa các nguyên tử HRE và Fe không thể tránh khỏi làm giảm từ dư và sản phẩm năng lượng từ của nam châm.
Công Nghệ Khuếch Tán Ranh Giới Hạt (GBD)
Đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng về nam châm Nd-Fe-B chịu nhiệt độ cao, sự phát triển của công nghệ GBD đã nổi lên như một giải pháp đầy hứa hẹn. Được đề xuất bởi Nakamura và cộng sự vào năm 2005, công nghệ GBD sử dụng các nguyên tố đơn lẻ hoặc hợp chất của HRE làm chất khuếch tán. Thông qua xử lý nhiệt khuếch tán, HRE thâm nhập vào nam châm từ bề mặt dọc theo ranh giới hạt, phân phối trong các ranh giới hạt và trên bề mặt hạt để tăng cường lực kháng từ của nam châm Nd-Fe-B. Quá trình khuếch tán thường xảy ra ở nhiệt độ trên điểm nóng chảy của pha đất hiếm giàu ranh giới hạt trong nam châm Nd-Fe-B, tạo điều kiện cho sự khuếch tán nhanh dọc theo ranh giới hạt trong pha đất hiếm giàu lỏng.
Nguyên tắc cốt lõi của GBD là sự đảo ngược của các miền từ hóa đầu tiên hình thành trên bề mặt hạt, khiến chúng trở thành điểm yếu nhất trong nam châm. Bằng cách tăng trường dị hướng trên bề mặt hạt, sự hình thành của các miền đảo ngược có thể bị trì hoãn, do đó tăng cường lực kháng từ của toàn bộ nam châm. GBD phân phối HRE chủ yếu ở các ranh giới hạt, giảm thiểu sự xâm nhập của chúng vào bên trong hạt. Cách tiếp cận này không chỉ tăng cường lực kháng từ mà còn giảm thiểu các tác động bất lợi của HRE đối với từ dư, đạt được các tính chất từ tính tổng thể xuất sắc.
Ưu điểm của Công nghệ GBD với Ce
Công nghệ GBD mang lại nhiều ưu điểm, đặc biệt khi có sự kết hợp của cerium (Ce). Ce là một sự thay thế chi phí thấp cho Nd và HREs do sự phong phú của nó. Bằng cách thay thế một phần Nd bằng Ce, chi phí vật liệu có thể được giảm trong khi vẫn duy trì hoặc thậm chí nâng cao hiệu suất từ tính. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng nam châm Nd-Fe-B chứa Ce được xử lý qua GBD cho thấy sự cải thiện đáng kể về lực kháng từ. Ví dụ, sự khuếch tán Tb vào nam châm (Ce,Nd)-Fe-B thiêu kết được chuẩn bị bằng phương pháp pha kép chính đã được tìm thấy để tăng cường lực kháng từ lên đến 65%, với sự giảm tương đối nhỏ về độ từ dư và sản phẩm năng lượng tối đa.
Những Phát Triển Gần Đây và Hướng Nghiên Cứu
Trong những năm gần đây, công nghệ GBD đã phát triển nhanh chóng và đạt được công nghiệp hóa. Các ứng dụng công nghiệp thực tế của GBD đã giảm tiêu thụ HRE hơn 50%. Tuy nhiên, vẫn còn nhiều thách thức kỹ thuật và lý thuyết. Một vấn đề quan trọng là tăng độ dày của nam châm có thể được xử lý hiệu quả bằng GBD. Thực tiễn công nghiệp hiện tại chủ yếu tập trung vào các nam châm có độ dày dưới 4 mm, với rất ít vượt quá 8 mm. Đối với các ứng dụng yêu cầu biên độ an toàn cao hơn, chẳng hạn như động cơ và máy phát điện hoạt động trên 125°C, các nam châm dày hơn được ưa chuộng.
Để giải quyết thách thức này, các nhà nghiên cứu đang khám phá các phương pháp để nâng cao tốc độ khuếch tán của các chất khuếch tán, nhằm tăng độ sâu khuếch tán trong các nam châm dày hơn. Một cách tiếp cận là thay đổi thành phần của các chất khuếch tán, chẳng hạn như thông qua hợp kim hóa hoặc pha tạp, để cung cấp các kênh khuếch tán hiệu quả hơn. Ví dụ, việc sử dụng hỗn hợp Al + TbH2 làm chất khuếch tán đã được tìm thấy để cải thiện đáng kể lực kháng từ của nam châm dày 6,5 mm so với việc chỉ sử dụng TbH2. Sự giới thiệu của Al thúc đẩy sự hình thành các pha ranh giới hạt mỏng liên tục giữa các hạt 2:14:1, nâng cao sự ghép nối khử từ và do đó cải thiện lực kháng từ.
Triển Vọng Tương Lai
Tương lai của công nghệ GBD với Ce hứa hẹn nhiều tiềm năng trong việc phát triển nam châm Nd-Fe-B hiệu suất cao, chi phí thấp. Nghiên cứu tiếp tục tập trung vào việc tối ưu hóa thành phần khuếch tán, nâng cao hiệu quả khuếch tán và hiểu rõ mối quan hệ giữa cấu trúc vi mô và tính chất trong nam châm GBD. Ngoài ra, cần phát triển các phương pháp để xử lý hiệu quả các nam châm dày hơn, mở rộng phạm vi ứng dụng của công nghệ GBD.
Kết luận, những phát triển mới nhất trong công nghệ GBD với Ce đại diện cho một bước tiến quan trọng trong việc giải quyết những hạn chế của nam châm Nd-Fe-B truyền thống. Bằng cách tận dụng các tính chất độc đáo của Ce và tối ưu hóa quy trình GBD, các nhà nghiên cứu đang mở đường cho việc áp dụng rộng rãi các nam châm vĩnh cửu hiệu suất cao, chi phí thấp trong nhiều ngành công nghiệp, thúc đẩy đổi mới và bền vững trong thế kỷ 21.
