Các nhà nghiên cứu Hàn Quốc phát triển quy trình sản xuất nam châm neodymium không cần nguyên tố đất hiếm nặng đắt đỏ

Quy trình sản xuất mới cho nam châm dùng trong ô tô và robot

Viện Khoa học Vật liệu Hàn Quốc (KIMS) ngày 23 tháng 10 năm 2026 thông báo các nhà nghiên cứu của viện đã phát triển những công nghệ cốt lõi để sản xuất nam châm vĩnh cửu có lực từ mạnh mà không cần bổ sung hai nguyên tố đất hiếm nặng đắt đỏ là dysprosium và terbium. Quy trình sử dụng các hạt bột có độ tinh khiết cao, kích thước khoảng một micromet, kết hợp các công đoạn sản xuất bột, định hướng từ tính và thiêu kết, tức quá trình gia nhiệt biến bột đã nén thành nam châm rắn.

Thông báo đầy đủ của KIMS mô tả việc phát triển bột Nd-Fe-B đơn tinh thể siêu mịn cùng các công nghệ định hướng và thiêu kết cần thiết để tạo ra nam châm vĩnh cửu mà không cần phụ gia đất hiếm nặng.

Nghiên cứu do Kim Su-min, nhà nghiên cứu cấp cao, cùng các nhà nghiên cứu chính Kim Tae-hoon và Lee Jung-gu thực hiện tại bộ phận nghiên cứu vật liệu nano của viện. Phương pháp này hướng đến nam châm neodymium, sắt và boron, gọi là nam châm Nd-Fe-B, được sử dụng trong động cơ xe điện, khớp robot và máy phát điện tuabin gió.

Neodymium vẫn là thành phần thiết yếu. Bước tiến này tập trung vào việc loại bỏ nhu cầu sử dụng một số phụ gia đất hiếm nặng, đồng thời cải thiện khả năng chống mất từ tính của nam châm. Nhóm nghiên cứu theo đuổi mục tiêu đó bằng cách thu nhỏ các hạt tinh thể trong vật liệu và phát triển phương pháp biến bột mịn thu được thành nam châm hữu dụng.

Đối với các nhà sản xuất Hàn Quốc, lợi ích tiềm năng là có thể sản xuất trong nước, giảm phụ thuộc vào những vật liệu đắt đỏ với nguồn cung tập trung ở một số ít quốc gia. Kim cho biết cần tiếp tục kết nối các công đoạn và thiết lập sản xuất hàng loạt trước khi có thể ứng dụng trong động cơ xe điện và robot hình người.

Vì sao khả năng chống mất từ tính quan trọng

Nam châm Nd-Fe-B được sử dụng rộng rãi vì tạo ra từ trường mạnh. Tuy nhiên, trong động cơ xe điện, lực từ chỉ là một phần yêu cầu. Nam châm còn phải duy trì từ tính khi hoạt động trong môi trường nóng.

Các nhà nghiên cứu gọi khả năng chống khử từ là lực kháng từ. Nói đơn giản, đây là thước đo mức độ nam châm chống lại từ trường ngược chiều đang tìm cách làm thay đổi trạng thái từ tính của nó. Lực kháng từ cao đặc biệt có giá trị trong các ứng dụng động cơ đòi hỏi khắt khe, nơi việc duy trì hiệu suất từ tính là thiết yếu.

Dysprosium và terbium thường được bổ sung để cải thiện khả năng này. Cả hai đều thuộc nhóm đất hiếm nặng, đồng thời là những vật liệu đắt đỏ có chuỗi cung ứng tập trung. Vì vậy, các nhà sản xuất có lý do để tìm cách khác nhằm đạt được những đặc tính từ tính cần thiết.

Nhóm KIMS tập trung vào cấu trúc bên trong của nam châm thay vì sử dụng các phụ gia đó. Phương pháp của nhóm dùng bột rất mịn để tạo ra các hạt tinh thể nhỏ hơn, tức những vùng tinh thể li ti bên trong vật liệu thành phẩm. Tinh chỉnh kích thước hạt là một hướng cải thiện lực kháng từ mà không cần bổ sung dysprosium hoặc terbium.

Tạo hạt siêu nhỏ thay vì nghiền hợp kim

Quy trình sản xuất bột thông thường gồm nghiền nhỏ một hợp kim có sẵn. Tuy nhiên, phương pháp nghiền cơ học có những giới hạn khi mục tiêu là thu được các hạt cực mịn phù hợp với cách tiếp cận này.

Thay vào đó, các nhà nghiên cứu dùng oxit đất hiếm làm nguyên liệu ban đầu và tổng hợp trực tiếp các hạt tinh thể Nd-Fe-B mịn bằng quy trình khử và khuếch tán, viết tắt là RD. Quá trình khử loại bỏ oxy khỏi các hợp chất ban đầu, còn khuếch tán giúp các nguyên tử di chuyển và kết hợp để tạo thành vật liệu mong muốn.

Các hạt bột thu được có kích thước khoảng một micromet, tức một phần triệu mét. Kích thước này bằng một phần nghìn milimet. Đây là kích thước của các hạt bột dùng để sản xuất nam châm, không phải kích thước của linh kiện thành phẩm.

Tổng hợp trực tiếp khắc phục giới hạn về kích thước của phương pháp nghiền bằng cách tạo ra các hạt nhỏ ngay từ đầu. Sau đó, các nhà nghiên cứu phải duy trì chất lượng bột và phát triển phương pháp xử lý phù hợp với những hạt nhỏ đến mức chúng có xu hướng dính vào nhau.

Bảo vệ bột khỏi quá trình oxy hóa

Quy trình RD vốn gặp một vấn đề trong xử lý: bột bị oxy hóa. Oxy phản ứng với vật liệu trong quá trình xử lý có thể làm giảm chất lượng, khiến việc kiểm soát tình trạng của bột trở thành khâu thiết yếu để tạo ra vật liệu từ tính hữu dụng.

Nhóm KIMS phát triển một phương pháp xử lý sau tổng hợp để giải quyết vấn đề oxy hóa. Theo viện, phương pháp này cho phép sản xuất bột Nd-Fe-B có độ tinh khiết cao, với kích thước hạt khoảng một micromet.

Do đó, kích thước và độ tinh khiết của bột là hai phần gắn liền trong nghiên cứu. Các nhà nghiên cứu cần những hạt đủ nhỏ để tinh chỉnh kích thước hạt tinh thể, đồng thời kiểm soát các biến đổi hóa học ngoài ý muốn có thể làm giảm lợi ích đạt được.

Nhiệm vụ tiếp theo là giúp các hạt định hướng theo hướng hữu ích và kết dính trong quá trình sản xuất. Bột từ tính mịn vẫn cần được định hướng, tạo hình và xử lý nhiệt trước khi trở thành nam châm vĩnh cửu thành phẩm.

Giúp các hạt mịn định hướng đồng đều

Các hạt rất nhỏ gây khó khăn trong khâu xử lý. Ma sát giữa các hạt và xu hướng vón cục khiến việc xoay từng hạt đến hướng mong muốn bên trong từ trường trở nên khó hơn.

Việc định hướng rất quan trọng vì các hướng từ tính của bột cần phối hợp với nhau. Càng nhiều hạt được định hướng theo hướng mong muốn, nam châm thành phẩm càng khai thác hiệu quả các đặc tính từ tính của vật liệu.

Các nhà nghiên cứu phủ chất bôi trơn lên bề mặt bột để giúp các hạt di chuyển. Họ cũng sử dụng từ trường xoay chiều có biên độ giảm dần. Từ trường đổi hướng trong khi cường độ giảm dần, giúp các hạt ổn định theo hướng mong muốn.

KIMS cho biết sự kết hợp này cải thiện cả độ định hướng của bột lẫn độ ổn định của khối bột đã tạo hình. Khối này là dạng bột đã nén trước khi thiêu kết. Duy trì độ ổn định của khối là một phần trong việc bảo toàn cách sắp xếp hạt mong muốn qua các công đoạn sản xuất tiếp theo.

Loại bỏ carbon còn sót lại từ chất bôi trơn

Chất bôi trơn giải quyết được một vấn đề nhưng lại gây thêm một mối lo trong quá trình xử lý: carbon dư. Carbon còn sót lại từ chất bôi trơn có thể làm giảm lực kháng từ sau khi xử lý nhiệt, suy yếu đặc tính mà nhóm nghiên cứu đang tìm cách duy trì.

Các nhà nghiên cứu sử dụng quy trình có hỗ trợ của hydro để giảm lượng carbon dư. KIMS cho biết phương pháp xử lý này khắc phục tình trạng lực kháng từ suy giảm sau khi gia nhiệt và giúp thiết lập quy trình sản xuất nam châm thiêu kết từ bột siêu mịn.

Thiêu kết dùng nhiệt để liên kết các hạt đã nén thành khối rắn đặc. Trong nghiên cứu này, thách thức là chuyển từ các hạt nhỏ được định hướng cẩn thận thành nam châm rắn mà vẫn duy trì hiệu suất từ tính mong muốn.

Vì vậy, nghiên cứu kết hợp nhiều công đoạn sản xuất: tổng hợp các hạt mịn, hạn chế oxy hóa, cải thiện khả năng định hướng, ổn định khối bột đã nén và giảm lượng carbon trước khi hoàn tất xử lý nhiệt. Mỗi bước giải quyết một vấn đề có thể làm giảm giá trị của những cải tiến ở các công đoạn trước.

Hai công bố khoa học và chín bằng sáng chế

Nghiên cứu được hỗ trợ thông qua Chương trình Phát triển Công nghệ Nano và Vật liệu của Quỹ Nghiên cứu Quốc gia Hàn Quốc, do Bộ Khoa học và Công nghệ Thông tin và Truyền thông tài trợ. KIMS cho biết nhóm đã tạo ra chín bằng sáng chế liên quan đến các công nghệ này.

Kết quả được công bố trên hai tạp chí, trong đó một nghiên cứu đề cập đến việc sản xuất bột siêu mịn, còn nghiên cứu kia tập trung vào định hướng bột và chế tạo nam châm. Trình tự này cho thấy công trình tổng hợp bột được thực hiện trước nghiên cứu về cách biến bột thành nam châm.

• Ngày 14 tháng 7 năm 2026: Nghiên cứu về sản xuất bột Nd-Fe-B siêu mịn được công bố trên Journal of Alloys and Compounds.
• Ngày 19 tháng 9 năm 2026: Nghiên cứu về định hướng bột và chế tạo nam châm được đăng trực tuyến trên Chemical Engineering Journal.
• Ngày 23 tháng 10 năm 2026: KIMS công bố những tiến bộ kết hợp trong sản xuất cùng các ứng dụng công nghiệp tiềm năng.

Nghiên cứu về sản xuất bột được đăng trực tuyến, với Kim Tae-hoon và Lee Jung-gu là các tác giả liên hệ. Trong nghiên cứu về định hướng bột và chế tạo nam châm, nhà nghiên cứu sau thạc sĩ Kim So-yeon là tác giả thứ nhất, còn trưởng nhóm nghiên cứu Kim Su-min là tác giả liên hệ.

Hai nghiên cứu lần lượt có mã định danh 10.1016/j.jallcom.2026.189820 và 10.1016/j.cej.2026.182156. Đây là các mã định danh đối tượng số, cung cấp số tham chiếu lâu dài để tra cứu từng bài nghiên cứu.

Những việc các nhà sản xuất vẫn cần làm

Kim Su-min, trưởng nhóm nghiên cứu và nhà nghiên cứu cấp cao tại KIMS, mô tả kết quả là tiến bộ trong cả khâu tổng hợp bột lẫn các công đoạn sản xuất tiếp theo. Ông cho biết:

Nghiên cứu này có ý nghĩa vì đã khắc phục những hạn chế kỹ thuật trong việc tổng hợp bột siêu mịn, định hướng và thiêu kết bột để sản xuất nam châm vĩnh cửu Nd-Fe-B hiệu suất cao. Đặc biệt, chúng tôi đã đưa ra một phương pháp kỹ thuật mới có thể cải thiện hiệu suất nam châm mà không phụ thuộc vào các nguyên tố đất hiếm nặng đắt đỏ.

KIMS xác định động cơ truyền động xe điện và robot hình người là những ứng dụng tiềm năng sau khi hoàn thiện việc tích hợp quy trình và công nghệ sản xuất hàng loạt. Nam châm vĩnh cửu cũng được dùng trong khớp robot và máy phát điện tuabin gió, vì vậy phương pháp sản xuất này có ý nghĩa với nhiều ngành công nghiệp phụ thuộc vào vật liệu từ tính mạnh.

Thông báo không đưa ra số liệu cụ thể về lực kháng từ, giới hạn nhiệt độ vận hành, chi phí sản xuất, mục tiêu sản lượng nhà máy hay thời điểm thương mại hóa. Những thông tin này sẽ là căn cứ để các nhà sản xuất đánh giá liệu quy trình có đáp ứng yêu cầu của từng loại động cơ hoặc robot hay không.

Dù KIMS cho biết lực kháng từ được cải thiện và mô tả các công đoạn xử lý nhằm duy trì đặc tính này, tài liệu được cung cấp không nêu giá trị lực kháng từ đo được hay kết quả thử nghiệm ở các nhiệt độ vận hành khác nhau. Vì vậy, tài liệu chưa định lượng được hiệu suất của nam châm ở nhiệt độ cao thường gặp trong các ứng dụng động cơ.

Lợi ích về nguồn cung nằm ở việc giảm nhu cầu dysprosium và terbium trong các nam châm này. Neodymium và nguyên liệu oxit đất hiếm vẫn là một phần của quy trình. Với Hàn Quốc, cơ hội công nghiệp là phát triển thêm năng lực sản xuất trong nước, đồng thời giảm phụ thuộc vào các phụ gia đất hiếm nặng mà nhóm nghiên cứu hướng tới thay thế.

Thành tựu trước mắt là một chuỗi công nghệ xử lý cốt lõi có liên kết với nhau, từ bột kích thước khoảng một micromet đến nam châm thiêu kết. Nhóm nghiên cứu cho biết bước tiếp theo là kết nối các công nghệ này để sản xuất ở quy mô lớn, đưa vật liệu đến gần hơn với ứng dụng trong thiết bị công nghiệp đòi hỏi cao.

Điểm chính

• Ngày 23 tháng 10 năm 2026, KIMS công bố phương pháp sản xuất nam châm Nd-Fe-B không cần dysprosium hoặc terbium.
• Quy trình tổng hợp trực tiếp các hạt bột có độ tinh khiết cao, kích thước khoảng một micromet.
• Các phương pháp xử lý mới giải quyết vấn đề oxy hóa, định hướng hạt và carbon còn sót lại từ chất bôi trơn.
• Nghiên cứu được công bố trên hai tạp chí và nhóm đã tạo ra chín bằng sáng chế liên quan.
• Cần tiếp tục tích hợp quy trình và phát triển sản xuất hàng loạt trước khi có thể triển khai các ứng dụng được đề xuất cho xe cộ và robot.
• Nam châm vẫn chứa neodymium, một nguyên tố đất hiếm.
• Tài liệu được cung cấp không nêu giá trị lực kháng từ đo được hay kết quả thử nghiệm ở các nhiệt độ vận hành khác nhau.