SmFeN Samarium-Eisen-Stickstoff Seltene Erden Permanentmagnetische Materialien
Im Jahr 1990 synthetisierte Professor Coey aus Irland interstitielle intermetallische Verbindungen RE2Fe17Nx mittels einer Gas-Feststoff-Phasenreaktion. Forschungen ergaben, dass Sm2Fe17Nx-Verbindungen hervorragende intrinsische magnetische Eigenschaften aufweisen, was die Geburtsstunde der Seltenerd-Permanentmagnete SmFeN markierte. Das theoretische maximale magnetische Energieprodukt von Samarium-Eisen-Stickstoff-Permanentmagneten erreicht 62 MGOe (etwas niedriger als Nd2Fe14B, 64 MGOe). Seine Koerzitivfeldstärke und Curietemperatur sind deutlich höher als die von Neodym-Eisen-Bor, wodurch er in Hochtemperaturumgebungen wie Motoren häufiger eingesetzt wird.
Samarium-Eisen-Stickstoff verfügt nicht nur über hervorragende magnetische Eigenschaften, sondern auch über eine gute Korrosions- und Oxidationsbeständigkeit. Im Vergleich zu Samarium-Kobalt enthält es keine strategischen Metalle. Im Vergleich zu Neodym-Eisen-Bor benötigt es keine teuren Seltenerdmetalle wie Praseodym, Neodym, Dysprosium und Terbium (bei relativ hohem Samariumgehalt und niedrigem Preis) und erfüllt alle Voraussetzungen für ein neuartiges Permanentmagnetmaterial. Die attraktiven Zukunftsaussichten haben Samarium-Eisen-Stickstoff zum wichtigsten Thema in der Forschung und Entwicklung von Permanentmagnetmaterialien gemacht. Seit Coey et al. die Seltenerd-Permanentmagnetmaterialien Sm₂Fe₁₁Nx entdeckten, gab es weltweit eine rasante Forschungswelle zu Sm₂Fe₁₁Nx-Permanentmagnetmaterialien, und Hunderte von Laboren investierten in dieses Gebiet. Eine Reihe nachfolgender Experimente zeigte jedoch, dass dieses Permanentmagnetmaterial auf dem Weg zur Industrialisierung nicht erfolgreich war, und es entstand eine Situation der wechselhaften Forschung.
In den letzten Jahren haben die rasante Entwicklung der Automobilindustrie sowie die Miniaturisierung und Gewichtsreduzierung elektronischer Geräte die Anforderungen an Permanentmagnete hinsichtlich Umgebungstemperatur und magnetischer Leistung erhöht. Sm₂Fe₁₁Nx-Seltenerd-Permanentmagnetmaterialien mit guter Temperaturstabilität und hervorragenden magnetischen Eigenschaften haben aufgrund ihres potenziellen Anwendungswerts erneut die Aufmerksamkeit auf sich gezogen. Sm₂Fe₁₁Nx-Permanentmagnetmaterialien haben zudem einen neuen Forschungs- und Entwicklungstrend eingeleitet. Die intensive Erschließung und Nutzung von Seltenen Erden hat zu einem Preisanstieg geführt. Der Preisanstieg bei Nd hat zu höheren Produktionskosten bei Nd-Fe-B geführt, während Sm₂ relativ im Überschuss vorhanden ist. Die Entwicklung von Sm-Fe-N trägt zur Kostensenkung und zur verstärkten Nutzung von Seltenen Erden bei. Sm-Fe-N wird daher voraussichtlich Nd-Fe-B ersetzen und sich sowohl hinsichtlich der magnetischen Eigenschaften als auch der Produktionskosten zum voraussichtlichen Seltenen Erd-Permanentmagnetmaterial der vierten Generation entwickeln.
Nach über 20 Jahren Forschung und Entwicklung ist das Problem der industriellen Massenproduktion von SmFeN immer noch nicht gelöst. Untersuchungen haben ergeben, dass SmFeN bei Temperaturen über 873 K in SmN und Fe zerfällt und dabei seine permanentmagnetischen Eigenschaften verliert, was seine Anwendung in Sintermagneten stark einschränkt. Derzeit kann SmFeN nur zur Herstellung von Spritzgussmagneten, Verbundmagneten und Gummimagneten verwendet werden. Ursprünglich wurden organische Verbindungen wie Nylon und Epoxidharz als Bindemittel verwendet. Diese Bindemittel waren jedoch nur unter 200 °C einsetzbar und konnten die Leistungsvorteile von Sm2Fe17Nx bei hohen Temperaturen nicht voll ausschöpfen. Daher ist es entscheidend, wie Durchbrüche im Verfahren erzielt werden und ob neue Bindemittel entwickelt werden können, um den Wettbewerb zwischen Sm2Fe17Nx-Magneten und NdFeB-Magneten zu gewinnen. In den letzten Jahren haben einige niedrigschmelzende Metalle große Aufmerksamkeit erhalten, und niedrigschmelzende Metalle wie Zn und Sn werden als Bindemittel verwendet. Durch die Verwendung von niedrigschmelzenden Metallen wie Zn als Bindemittel verringert sich jedoch die Sättigungsmagnetisierungsstärke, was zu einem niedrigeren (BH)-Maximum führt. Um die Leistung von Sm2Fe17Nx voll auszuschöpfen, ist ein guter Klebstoff unerlässlich. Die Herstellung von verdichteten Sm2Fe17Nx-Magneten ist weiterhin Gegenstand der Forschung, da verdichtete Magnete bessere theoretische magnetische Eigenschaften aufweisen.
Laut den Statistiken der Japan Adhesive Magnet Association liegen die Anwendungsgebiete der magnetischen Materialien aus Samarium-Eisen-Stickstoff aufgrund ihrer hohen magnetischen Leistung, hohen Korrosionsbeständigkeit, Entmagnetisierungsbeständigkeit bei hohen Temperaturen und guten Formgebungsfreiheit hauptsächlich in den Bereichen Informationskommunikation, industrielle Produktion, Haushaltselektronik und Automobile, einschließlich Lautsprechern, Kameraverschlussmotoren, Spindelmotoren, Plattenadsorption, Magnetrollen, Lüftermotoren, Linearmotoren, vollautomatischen Maschinenausrüstungen, Hochgeschwindigkeitsmotoren, Klimaanlagen, Haushaltsmotoren, Magnetsensoren, Pumpen, Hilfsmaschinen usw.
Derzeit wurden bei der Herstellung und Anwendung von Verbundmagneten aus Sm2Fe17Nx erhebliche Fortschritte erzielt, die Verdichtung bleibt jedoch ein Ziel, das viele Forscher auf dem Gebiet magnetischer Materialien verfolgen. Sobald ein geeignetes Herstellungsverfahren entwickelt ist, könnten die theoretischen magnetischen Eigenschaften erreicht und die Kommerzialisierung von Samarium-Eisennitrid-Magneten beschleunigt werden.