Meningkatkan Koersivitas Magnes RE-Fe-B Kaya La/Ce melalui Co-Doping Dy₂O₃–Ca
Abstrak
Magnes permanen RE-Fe-B kaya tanah langka tradisional menderita koersivitas rendah, yang membatasi daya tarik komersialnya meskipun memiliki keuntungan biaya dan kelimpahan La dan Ce. Dalam studi ini, kami menggunakan logam industri (RE₁₀₀ = La₃₀.₆Ce₅₀.₂Pr₆.₄Nd₁₂.₈) dan memproduksi magnes RE-Fe-B melalui penggerusan energi tinggi diikuti dengan pengapalan vakum. Co-doping dengan 7 wt.% Dy₂O₃ dan 2,3 wt.% Ca menghasilkan peningkatan koersivitas yang dramatis dari 2,44 kOe menjadi 11,43 kOe. Difraksi X-ray dan TEM menunjukkan bahwa atom Dy terintegrasi ke dalam jaringan RE₂Fe₁₄B, meningkatkan anisotropi kristal magnetik, sementara Ca mereduksi Dy₂O₃, mempromosikan pembentukan kristal nano kaya Dy yang menghambat gerakan dinding domain. Efek sinergis ini mendasari performa magnetik yang unggul yang dicapai dengan tanah langka yang sangat melimpah.
Latar Belakang
La dan Ce menarik untuk produksi magnes permanen karena kelimpahan dan biaya rendah, namun anisotropi kristal magnetik yang dikurangi dalam La₂Fe₁₄B dan Ce₂Fe₁₄B mengompromikan performa. Penelitian luas telah difokuskan pada penggantian Nd dengan La/Ce dalam magnes Nd-Fe-B dan optimasi mikrostruktur untuk mengurangi kerugian. Tanah langka berat seperti Dy atau Tb dikenal sebagai peningkat koersivitas dan stabilitas termal; namun, biaya tinggi mereka dapat meniadakan manfaat penggunaan La/Ce. Oksida Dy dan Tb dengan biaya rendah, yang digabungkan dengan agen pengurangan, menawarkan alternatif yang layak. Kalsium telah muncul sebagai reduksan yang efektif dalam proses pengurangan-difusi Ca, yang memungkinkan transformasi oksida tanah langka menjadi elemen logam aktif selama penggerusan mekanis dan pengapalan selanjutnya.
Metode
Kami melelehkan logam RE industri (RE₁₀₀ = La₃₀.₆Ce₅₀.₂Pr₆.₄Nd₁₂.₈, 99,5 wt.%) bersama Fe (99,9 wt.%) dan logam Fe–B (RE₁₃.₆Fe₇₈.₄B₈, 99,5 wt.%) untuk menghasilkan komposisi nominal RE₁₃.₆Fe₇₈.₄B₈. Ingot dihancurkan dan digerus dalam kotak tangan yang diisi argon menggunakan bola baja (12 mm) pada 700 rpm selama 5 jam. Dopan ditambahkan sebelum penggerusan: 2,3 wt.% Ca (sampel MC), 3 wt.% Dy₂O₃ (M3D), 7 wt.% Dy₂O₃ (M7D), dan kombinasi co-dopan 7 wt.% Dy₂O₃ + 2,3 wt.% Ca (M7DC). Sampel referensi tanpa dopan (RM) juga disiapkan. Pengapalan pasca-penggerusan dilakukan pada 620–780 °C selama 10 menit di bawah vakum tinggi (<1,3 × 10⁻³ Pa). Identifikasi fase menggunakan difraksi X-ray Cu-Kα (λ = 0,15406 nm). Histeresis magnetik diukur pada suhu ruang dengan VSM LakeShore 7404; sampel ditekan menjadi silinder 2 mm × 4 mm dan dikoreksi untuk demagnetisasi (faktor 0,28). Magnetisasi bergantung pada suhu (300–700 K) dan mikrostruktur dikarakterisir dengan PPMS dan TEM JEM-2100F, masing-masing.
Hasil dan Pembahasan
Gambar 1 menunjukkan bahwa semua sampel yang dianiling terutama mengandung fase RE₂Fe₁₄B. Analisis XRD terperinci mengungkapkan penyusutan jaringan dengan doping Dy₂O₃ dan kontraksi sumbu a- dan c-axis dengan co-dopan, yang menunjukkan integrasi Dy ke dalam jaringan 2:14:1. Ca saja menginduksi kontraksi sel yang modest, yang menunjukkan substitusi parsial situs RE. Pengurangan volume total dalam sampel co-dopan melebihi jumlah efek individu, mengonfirmasi peran Ca dalam mempromosikan masuknya Dy.
Kurva magnetisasi versus suhu (Gambar 2) menunjukkan kenaikan modest suhu Curie dari 551,5 K (RM) menjadi 564,5 K (doping Ca) dan 566,1 K (co-doping), sesuai dengan integrasi Dy dan Ca. Pengukuran koersivitas (Gambar 3) menggambarkan peningkatan yang mencolok: M7D mencapai 7,65 kOe, sementara M7DC mencapai 11,43 kOe—peningkatan 9,1 kOe dibandingkan RM. Sampel co-dopan menampilkan mekanisme pembalikan dual nucleation–domain-wall-pinning, seperti yang terlihat dari kurva magnetisasi awal.
Penyelidikan mikrostruktur (Gambar 5 dan 6) mengungkapkan matriks kristal nano yang dicampur dengan butir kasar kaya Dy/Ca. Spektroskopi energi-dispersif mengonfirmasi konsentrasi Dy yang tinggi dalam butir-butir ini, yang berfungsi sebagai situs penangkal yang efektif karena anisotropi yang lebih tinggi. Reduksi Dy₂O₃ yang dipicu Ca meningkatkan difusi Dy selama pengapalan, memfasilitasi pembentukan fitur mikrostruktur yang bermanfaat ini.
Kesimpulan
Co-doping magnes RE-Fe-B kaya La/Ce dengan Dy₂O₃ dan Ca secara dramatis meningkatkan koersivitas dari 2,44 kOe menjadi 11,43 kOe. Ca mempromosikan integrasi Dy ke dalam jaringan RE₂Fe₁₄B melalui reaksi redutif, menghasilkan struktur kristal nano dengan butir kaya Dy yang menghambat gerakan dinding domain. Pendekatan ini menawarkan jalur yang hemat biaya untuk magnes permanen berkinerja tinggi yang didominasi oleh tanah langka yang melimpah.
