“ราชาแห่งแม่เหล็ก” —โบรอนเหล็กนีโอดิเมียม (NdFeB)

แม่เหล็กนีโอไดเมียม หรือที่รู้จักกันในชื่อแม่เหล็ก NdFeB เป็นระบบผลึกแบบเตตระโกนัลที่ประกอบด้วยนีโอไดเมียม เหล็ก และโบรอน (Nd2Fe14B) ถูกค้นพบครั้งแรกในปี 1982 โดยคุณซากาวะแห่งบริษัท Sumitomo Special Metals แม่เหล็กชนิดนี้มีค่าผลคูณพลังงานแม่เหล็ก หรือ BHmax สูงกว่าแม่เหล็กซาแมเรียมโคบอลต์ และมีค่า BHmax สูงที่สุดในโลกเป็นเวลาหลายปีหลังจากการค้นพบ นอกจากนี้ Sumitomo Special Metals ยังได้พัฒนาวิธีการผลิตแม่เหล็ก NdFeB โดยใช้กระบวนการโลหะวิทยาผง ต่อมาGeneral Motorsประสบความสำเร็จในการพัฒนาวิธีการปั่นหลอม (melt-spinning) ซึ่งสามารถผลิตแม่เหล็ก NdFeB ได้ในปริมาณมาก

NdFeB ถือเป็นแม่เหล็กถาวรที่มีความแข็งแรงมากที่สุดในปัจจุบัน รองจากแม่เหล็กโฮลเมียมแบบสัมบูรณ์ ในบรรดาแม่เหล็กหายาก แม่เหล็กชนิดนี้พบได้ทั่วไปในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ เช่น ฮาร์ดดิสก์ โทรศัพท์มือถือ หูฟัง และเครื่องมือที่ใช้แบตเตอรี่ คุณสมบัติทางแม่เหล็กของแม่เหล็กชนิดนี้มีความโดดเด่นอย่างแท้จริงและเป็นที่ต้องการอย่างมากในอุตสาหกรรมต่างๆ ที่ต้องการแม่เหล็กที่มีความแข็งแรงแต่กะทัดรัด การใช้แม่เหล็กชนิดนี้กันอย่างแพร่หลายแสดงให้เห็นถึงบทบาทสำคัญของแม่เหล็ก NdFeB ในผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์และการพัฒนาด้านเทคโนโลยีในปัจจุบัน

ตามกระบวนการผลิต แม่เหล็ก NdFeB แบ่งออกเป็นสองประเภท คือ แบบเผาผนึก (sintered) และแบบยึดติด (bonded) แม่เหล็กชนิดนี้ได้เข้ามาแทนที่แม่เหล็กประเภทอื่น ๆ ในหลายการใช้งานที่ต้องการแม่เหล็กที่แข็งแรงและขนาดกะทัดรัดซึ่งจำเป็นต้องใช้แม่เหล็กถาวรที่มีความแข็งแรงสูง เช่น มอเตอร์ไฟฟ้าในเครื่องมือไร้สาย ฮาร์ดดิสก์ไดรฟ์ และตัวยึดแม่เหล็ก เป็นต้น

กระทรวงพลังงานได้ตระหนักถึงความจำเป็นในการค้นหาวัสดุทดแทนสำหรับโลหะหายากในเทคโนโลยีแม่เหล็กถาวรและได้จัดสรรเงินทุนสำหรับการวิจัยที่จำเป็น โครงการ Rare Earth Alternatives in Critical Technologies หรือ REACT ภายใต้ Advanced Research Projects Agency for Energy หรือ ARPA-E ได้รับการออกแบบมาเป็นพิเศษเพื่อค้นหาวัสดุทดแทน ARPA-E ได้จัดสรรเงินทุน 31.6 ล้านดอลลาร์ในปี 2011 สำหรับโครงการ Rare Earth Alternatives

เมื่อพิจารณาถึงบทบาทของนีโอไดเมียมในแม่เหล็กถาวรสำหรับกังหันลม นีโอไดเมียมจึงถูกผลักดันให้เป็นเป้าหมายหลักสำหรับการแข่งขันทางภูมิรัฐศาสตร์ในโลกของพลังงานหมุนเวียน มุมมองนี้ถูกวิพากษ์วิจารณ์ว่ามองข้ามข้อเท็จจริงที่ว่ากังหันลมส่วนใหญ่ไม่ได้ใช้แม่เหล็กถาวร และประเมินอิทธิพลของแรงจูงใจทางเศรษฐกิจต่อการขยายการผลิตต่ำเกินไป

วัสดุแม่เหล็กถาวร NdFeB มีคุณสมบัติทางแม่เหล็กที่เหนือกว่าและต้นทุนที่ต่ำกว่า ได้กลายเป็นผู้นำในตลาดแม่เหล็กถาวรของแรร์เอิร์ธอย่างรวดเร็วนับตั้งแต่มีการค้นพบ วัสดุนี้มีส่วนสนับสนุนมูลค่าผลผลิตของวัสดุแม่เหล็กถาวรของแรร์เอิร์ธ 90% ของโลก นอกจากนี้ ด้วยการปรับปรุงอย่างต่อเนื่องในกระบวนการเตรียมและเทคโนโลยีการผลิต ประสิทธิภาพจึงได้รับการปรับปรุงอย่างต่อเนื่อง และขอบเขตการใช้งานก็ขยายออกไปทีละขั้นตอน ดังนั้น ขอบเขตการใช้งานของวัสดุแม่เหล็กถาวร NdFeB จึงถือเป็นระดับของการปรับปรุง วัสดุแม่เหล็กถาวร NdFeB ถือเป็นภาคส่วนที่กำลังมาแรงในอุตสาหกรรมวัสดุแรร์เอิร์ธเสมอมา

วัสดุแม่เหล็กถาวรคืออะไร?

วัสดุแม่เหล็กถาวรคือวัสดุที่มีฟังก์ชันการทำงานที่สามารถทำให้แม่เหล็กอิ่มตัวภายใต้การกระทำของสนามแม่เหล็กภายนอก และยังคงคุณสมบัติแม่เหล็กไว้ได้แม้จะเอาสนามแม่เหล็กภายนอกออกไปแล้ว วัสดุแม่เหล็กถาวรยังเรียกอีกอย่างหนึ่งว่าวัสดุแม่เหล็กแข็ง ตั้งแต่ช่วงสงครามระหว่างรัฐในประเทศจีน การประดิษฐ์ "ซิหนาน" (ต้นแบบของเข็มทิศ) มีวัตถุประสงค์เพื่อใช้บทบาทของแม่เหล็กในการนำทางและระบุทิศทาง

แม้ว่ามนุษย์จะรู้จักวัสดุแม่เหล็กมานานกว่า 2,000 ปีแล้ว แต่แม่เหล็กถาวรที่มนุษย์สร้างขึ้นนั้นเริ่มต้นจากการประดิษฐ์เข็มเหล็กที่มีแม่เหล็กในจีนในศตวรรษที่ 1930 ความก้าวหน้าที่สำคัญในการพัฒนาและการประยุกต์ใช้ของวัสดุแม่เหล็กเริ่มขึ้นในช่วงปลายศตวรรษที่ 1950 และต้นศตวรรษที่ 1967 ผู้คนส่วนใหญ่ใช้เหล็กทังสเตน เหล็กกล้าคาร์บอน เหล็กโครเมียม และเหล็กโคบอลต์เป็นวัสดุแม่เหล็กถาวรในช่วงต้นศตวรรษที่ 5 ในช่วงปลายทศวรรษปี 1 วัสดุแม่เหล็กถาวร Alnico ได้รับการพัฒนาอย่างประสบความสำเร็จ และจากนั้นวัสดุแม่เหล็กถาวรก็เริ่มถูกนำไปใช้งานในวงกว้าง ในช่วงทศวรรษปี 5 เฟอร์ไรต์แบเรียมก็ปรากฏขึ้น ราคาของแม่เหล็กถาวรลดลง และในขณะเดียวกัน ขอบเขตการใช้งานของวัสดุแม่เหล็กถาวรก็ขยายไปถึงความถี่สูง แม่เหล็กถาวรโคบอลต์แรร์เอิร์ธได้รับการพัฒนาอย่างประสบความสำเร็จในช่วงทศวรรษปี 5 การใช้งานแม่เหล็กถาวรเข้าสู่ยุคใหม่ ในปี 2 มหาวิทยาลัยเดย์ตันของสหรัฐอเมริกาได้จัดทำเหล็กแม่เหล็กถาวร SmCo17 ได้สำเร็จ ซึ่งถือเป็นจุดเริ่มต้นของยุคแม่เหล็กถาวรของแรร์เอิร์ธ วัสดุแม่เหล็กถาวรแรร์เอิร์ธจนถึงปัจจุบันได้รับการพัฒนาจาก SmCoXNUMX ชนิด XNUMX:XNUMX รุ่นแรก รุ่นที่สองของ SmXNUMXCoXNUMX ที่แข็งตัวด้วยการตกตะกอน ไปจนถึงวัสดุแม่เหล็กถาวร Nd-Fe-B รุ่นที่สาม

นอกจากนี้ ยังใช้โลหะผสม Cu-Ni-Fe, Fe-Co-V, Fe-Co-Mo, A1MnC และ Mand nBi เป็นวัสดุแม่เหล็กถาวร โลหะผสมทั้งหมดข้างต้นนี้แทบไม่ได้ใช้ในโอกาสส่วนใหญ่ เนื่องจากมีประสิทธิภาพต่ำและต้นทุนต่ำ จนถึงขณะนี้ FeCrCo, AlNiCo, PtCo และโลหะผสมอื่นๆ ยังคงใช้ในโอกาสพิเศษบางโอกาส เฟอร์ไรต์ Ba และ Sr ยังคงเป็นวัสดุแม่เหล็กถาวรที่มีปริมาณมากที่สุดในปัจจุบัน แต่กำลังถูกแทนที่ด้วยวัสดุ Nd-Fe-B ในหลายสาขาการใช้งาน ปัจจุบัน มูลค่าผลผลิตของวัสดุแม่เหล็กถาวรแรร์เอิร์ธนั้นเกินหน้าวัสดุแม่เหล็กถาวรเฟอร์ไรต์ไปมาก และการผลิตวัสดุแม่เหล็กถาวรแรร์เอิร์ธได้พัฒนาเป็นอุตสาหกรรมขนาดใหญ่ Nd-Fe-B ได้กลายเป็นวัสดุแม่เหล็กถาวรแรร์เอิร์ธที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุด NdFeB เป็นวัสดุแม่เหล็กถาวรแรร์เอิร์ธที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุดในโลกในปัจจุบัน และยังเป็นวัสดุแม่เหล็กถาวรที่มีพลังมากที่สุดในปัจจุบันอีกด้วย

บทนำของ NdFeB

NdFeB เป็นสารประกอบแม่เหล็กถาวรของธาตุหายาก ซึ่งประกอบด้วยโลหะหายากของนีโอไดเมียม เหล็กที่เป็นองค์ประกอบโลหะ โบรอนที่เป็นองค์ประกอบที่ไม่ใช่โลหะ ธาตุเพรซีโอไดเมียม ดิสโพรเซียม ไนโอเบียม อะลูมิเนียม แกลเลียม ทองแดง และอื่นๆ อีกมาก วัสดุแม่เหล็กถาวร NdFeB มีคุณสมบัติทางแม่เหล็กที่เหนือกว่า มีน้ำหนักเบา ราคาค่อนข้างถูก จึงสามารถนำไปประยุกต์ใช้อย่างแพร่หลายในหลากหลายสาขา นอกจากนี้ยังถูกเรียกว่า “ราชาแห่งแม่เหล็ก” และจนถึงปัจจุบันยังเป็นวัสดุแม่เหล็กที่ถูกที่สุด

แม่เหล็ก NdFeB ทรงพลังมีสนามแอนไอโซทรอปิกแมกนีโตคริสตัลไลน์ขนาดใหญ่และโพลาไรเซชันแม่เหล็กที่มีความเข้มสูง ผลิตภัณฑ์พลังงานแม่เหล็กตามทฤษฎีคือ 64MGOe คุณสมบัติแม่เหล็กมีค่ามากกว่าแม่เหล็กเหล็กที่ผู้คนใช้ในศตวรรษที่ 100 ถึง 19 เท่า และมากกว่าเฟอร์ไรต์และอัลนิโคทั่วไปถึง 10 เท่า ด้วยคุณสมบัติของแรงบังคับแม่เหล็กที่สูงเป็นพิเศษและความหนาแน่นของพลังงานที่สูงเป็นพิเศษ ขนาดของส่วนประกอบของวัสดุแม่เหล็กจึงลดลงอย่างมาก ซึ่งส่งเสริมการย่อส่วน น้ำหนักเบา บาง และประสิทธิภาพสูงของเครื่องมือวัด มอเตอร์ไฟฟ้าอะคูสติก คอมพิวเตอร์ โทรศัพท์มือถือ เป็นต้น ด้วยคุณสมบัติเหล่านี้ การปรับปรุงหรือประสิทธิภาพมากมายสำหรับผลิตภัณฑ์จึงได้รับการส่งเสริมเพื่อสร้างอุปกรณ์พิเศษเฉพาะบางอย่าง NdFeB มีลักษณะทางกลที่ละเอียดอ่อนและสามารถตัดหรือกลึงได้อย่างง่ายดาย เทคโนโลยีการเตรียมค่อนข้างจะสมบูรณ์ อุณหภูมิคูรีของแม่เหล็กนี้อยู่ที่ประมาณ 580K และสามารถใช้งานในอุณหภูมิสูงได้ถึง 150 องศาเซลเซียส

NdFeB ไม่มีองค์ประกอบเชิงกลยุทธ์อย่าง Co และ Ni วัตถุดิบของผลิตภัณฑ์ก็มีมากมายเช่นกัน ประสิทธิภาพต้นทุนสูงทำให้มีปริมาณการขายที่มาก: ตั้งแต่ NdFeB ปรากฏขึ้นในปี 1983 จนถึงปี 2006 ผลผลิตเพิ่มขึ้นเป็น 55,540 ตันและเพิ่มขึ้นอีกในปี 2015 เป็นประมาณ 130,000 ตัน วัสดุแม่เหล็กถาวร NdFeB เผาผนึกมีคุณสมบัติทางแม่เหล็กที่ยอดเยี่ยมและใช้กันอย่างแพร่หลายในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ เครื่องจักรไฟฟ้า การรักษาทางการแพทย์ ของเล่น บรรจุภัณฑ์ เครื่องจักรฮาร์ดแวร์ อวกาศ และการบิน