“Vua nam châm” —Boron sắt Neodymium（NdFeB）

Nam châm Neodymium, còn được gọi là nam châm NdFeB, là một hệ tinh thể tứ giác được cấu tạo từ neodymium, sắt và boron (Nd2Fe14B). Nó được phát hiện lần đầu tiên vào năm 1982 bởi ông Sagawa của công ty Sumitomo Special Metals. Loại nam châm này có tích số năng lượng từ, hay BHmax, lớn hơn so với nam châm samarium cobalt. Trong nhiều năm sau khi được phát hiện, nó giữ kỷ lục BHmax cao nhất thế giới. Hơn nữa, Sumitomo Special Metals đã phát triển quy trình sản xuất nam châm NdFeB bằng phương pháp luyện kim bột. Sau đó, General Motors đã thành công trong việc phát triển quy trình kéo sợi nóng chảy, cho phép sản xuất hàng loạt nam châm NdFeB.

NdFeB được xếp hạng là nam châm vĩnh cửu mạnh nhất được biết đến hiện nay, bên cạnh nam châm tuyệt đối không độ holmium. Trong số các nam châm đất hiếm, chúng rất phổ biến trong các thiết bị điện tử như ổ cứng, điện thoại di động, tai nghe và các công cụ chạy bằng pin. Tính chất từ ​​tính của chúng thực sự đặc biệt và được các ngành công nghiệp cần nam châm mạnh nhưng nhỏ gọn rất mong muốn. Việc sử dụng rộng rãi của chúng cho thấy vai trò quan trọng của nam châm NdFeB trong các sản phẩm điện tử hiện đại và phát triển công nghệ.

Theo quy trình sản xuất, nam châm NdFeB được phân loại là nam châm thiêu kết hoặc nam châm liên kết. Chúng đã thay thế các loại nam châm khác trong nhiều ứng dụng đòi hỏi nam châm mạnh và nhỏ gọn . Điều đó đòi hỏi nam châm vĩnh cửu mạnh, bao gồm nhưng không giới hạn ở động cơ điện trong dụng cụ không dây, ổ cứng và ốc vít từ tính.

DOE đã nhận ra yêu cầu tìm kiếm vật liệu thay thế cho kim loại đất hiếm của công nghệ nam châm vĩnh cửu và đã phân bổ kinh phí cho nghiên cứu cần thiết. Chương trình Rare Earth Alternatives in Critical Technologies hay REACT, thuộc Cơ quan Dự án Nghiên cứu Tiên tiến về Năng lượng hay ARPA-E, được thiết kế đặc biệt để khám phá vật liệu thay thế. ARPA-E đã tài trợ 31.6 triệu đô la vào năm 2011 cho chương trình Rare Earth Alternatives.

Với vai trò mà neodymium đóng trong nam châm vĩnh cửu cho tua bin gió, neodymium đã được đưa ra như một mục tiêu chính cho cạnh tranh địa chính trị trong thế giới năng lượng tái tạo. Quan điểm này đã bị chỉ trích vì bỏ qua thực tế là hầu hết các tua bin gió không sử dụng nam châm vĩnh cửu và đánh giá thấp ảnh hưởng của các ưu đãi kinh tế đối với việc mở rộng sản xuất.

Vật liệu nam châm vĩnh cửu NdFeB, với các tính chất từ ​​tính vượt trội và chi phí thấp hơn, đã nhanh chóng trở thành người dẫn đầu tuyệt đối trong thị trường nam châm vĩnh cửu đất hiếm kể từ khi phát hiện ra nó. Nó đóng góp 90% giá trị sản lượng của vật liệu nam châm vĩnh cửu đất hiếm trên thế giới. Ngoài ra, với sự cải tiến liên tục trong quy trình chuẩn bị và công nghệ sản xuất, hiệu suất của nó đã được cải thiện liên tục và các lĩnh vực ứng dụng của nó đang được mở rộng từng bước. Do đó, phạm vi ứng dụng của vật liệu nam châm vĩnh cửu NdFeB đánh dấu mức độ hiện đại hóa. Vật liệu nam châm vĩnh cửu NdFeB luôn là một lĩnh vực mới nổi trong ngành công nghiệp vật liệu đất hiếm.

Vật liệu nam châm vĩnh cửu là gì?

Vật liệu từ vĩnh cửu là vật liệu chức năng có thể từ hóa đến bão hòa dưới tác động của từ trường bên ngoài và vẫn giữ nguyên hiệu suất từ ​​​​của nó sau khi từ trường bên ngoài bị loại bỏ. Nó cũng có thể được gọi là vật liệu từ cứng. Ngay từ thời Chiến Quốc ở Trung Quốc, phát minh ra "Tân Nam" (nguyên mẫu của la bàn) là sử dụng vai trò của nam châm để dẫn đường và xác định phương hướng.

Mặc dù loài người đã biết về vật liệu từ tính trong hơn 2,000 năm, nam châm vĩnh cửu do con người tạo ra bắt đầu với phát minh ra kim thép từ hóa ở Trung Quốc vào thế kỷ thứ mười. Tiến bộ đáng kể trong việc phát triển và ứng dụng vật liệu từ tính bắt đầu vào cuối thế kỷ XIX và đầu thế kỷ XX. Người ta chủ yếu sử dụng thép vonfram, thép cacbon, thép crom và thép coban làm vật liệu nam châm vĩnh cửu vào đầu thế kỷ XX. Vào cuối những năm 1930, vật liệu từ tính vĩnh cửu Alnico đã được phát triển thành công, sau đó vật liệu từ tính vĩnh cửu bắt đầu được ứng dụng trên quy mô lớn. Vào những năm 1950, ferit bari xuất hiện. Chi phí của nam châm vĩnh cửu đã giảm và đồng thời, phạm vi sử dụng của vật liệu nam châm vĩnh cửu được mở rộng lên tần số cao. Nam châm vĩnh cửu coban đất hiếm đã được phát triển thành công vào những năm sáu mươi; các ứng dụng nam châm vĩnh cửu bước vào một kỷ nguyên mới. Năm 1967, Đại học Dayton của Hoa Kỳ đã chế tạo thành công thép từ tính vĩnh cửu SmCo5, đánh dấu sự xuất hiện của kỷ nguyên nam châm vĩnh cửu đất hiếm. Cho đến nay, vật liệu từ tính vĩnh cửu đất hiếm đã được phát triển từ thế hệ đầu tiên là loại SmCo1 tỷ lệ 5:5, thế hệ thứ hai là loại vật liệu từ tính kết tủa cứng Sm2Co17, đến thế hệ thứ ba là vật liệu từ tính vĩnh cửu Nd-Fe-B.

Ngoài ra, nó đã sử dụng hợp kim Cu-Ni-Fe, Fe-Co-V, Fe-Co-Mo, A1MnC và Mand nBi làm vật liệu nam châm vĩnh cửu. Tất cả các hợp kim trên đều hiếm khi được sử dụng trong hầu hết các trường hợp do hiệu suất kém và hiệu suất chi phí thấp. Cho đến nay, FeCrCo, AlNiCo, PtCo và một số hợp kim khác vẫn được sử dụng trong một số trường hợp đặc biệt. Ferit Ba, Sr vẫn là vật liệu nam châm vĩnh cửu có số lượng lớn nhất hiện nay nhưng đang được thay thế bằng vật liệu Nd-Fe-B trong nhiều lĩnh vực ứng dụng. Hiện nay, giá trị đầu ra của vật liệu nam châm vĩnh cửu đất hiếm đã vượt xa vật liệu nam châm vĩnh cửu ferit và việc sản xuất vật liệu nam châm vĩnh cửu đất hiếm đã phát triển thành một ngành công nghiệp lớn. Nd-Fe-B đã trở thành vật liệu nam châm vĩnh cửu đất hiếm được sử dụng rộng rãi nhất. NdFeB hiện là vật liệu từ tính vĩnh cửu đất hiếm được sử dụng rộng rãi nhất trên thế giới và cũng là vật liệu từ tính vĩnh cửu mạnh nhất hiện nay.

Giới thiệu NdFeB

NdFeB là hợp chất từ ​​tính vĩnh cửu đất hiếm, các thành phần của nó bao gồm kim loại đất hiếm neodymium, thành phần kim loại sắt, thành phần phi kim boron, một lượng bổ sung của nguyên tố praseodymium, dysprosi, niobi, nhôm, gali, đồng và các nguyên tố khác. Vật liệu từ tính vĩnh cửu NdFeB tự hào có các tính chất từ ​​tính vượt trội và nhẹ, khá rẻ, do đó được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực. Nó cũng được gọi là "vua của nam châm" và cho đến nay, là vật liệu nam châm rẻ nhất.

Nam châm NdFeB mạnh có trường dị hướng từ tinh thể lớn và phân cực từ cường độ cao. Tích năng lượng từ lý thuyết của nó là 64MGOe. Tính chất từ ​​của nó gấp hơn 100 lần so với thép nam châm mà mọi người sử dụng vào thế kỷ 19 và gấp 10 lần so với ferit và alnico thông thường. Với các tính chất của lực kháng từ siêu cao và mật độ năng lượng siêu cao, kích thước của các thành phần vật liệu từ giảm đáng kể. Điều này một lần nữa thúc đẩy quá trình thu nhỏ, nhẹ, mỏng và hiệu suất cao của các thiết bị đo lường, động cơ điện âm, máy tính, điện thoại di động, v.v. Do những ưu điểm này, rất nhiều cải tiến hoặc hiệu suất cho các sản phẩm sẽ được thúc đẩy để tạo ra một số thiết bị đặc biệt cụ thể. NdFeB có đặc tính cơ học tốt và dễ dàng cắt hoặc gia công với quá trình xử lý dễ dàng. Công nghệ chuẩn bị tương đối hoàn thiện, nhiệt độ Curie của nam châm này là khoảng 580K và nó có thể hoạt động ở nhiệt độ cao tới 150 độ C.

NdFeB không bao gồm các thành phần chiến lược Co và Ni. Nguyên liệu thô của sản phẩm cũng rất dồi dào. Hiệu suất chi phí cao tạo nên khối lượng bán hàng lớn như vậy: kể từ khi NdFeB xuất hiện vào năm 1983, cho đến năm 2006, sản lượng đã tăng lên 55,540 tấn và tăng mạnh hơn nữa vào năm 2015 lên khoảng 130,000 tấn. Vật liệu từ tính vĩnh cửu NdFeB thiêu kết có các tính chất từ ​​tính tuyệt vời và được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị điện tử, máy móc điện, điều trị y tế, đồ chơi, bao bì, máy móc phần cứng, hàng không vũ trụ và hàng không.