Descopera cum oamenii de stiinta simuleaza inversarea magnetizarii unui magnet NdFeB

Acestia au folosit modele cu elemente finite la scara mare

NIMS a reusit sa simuleze inversarea magnetizarii magnetilor NdFeB (neodymium-fier-bor sau neodim) utilizand modele de elemente finite la scara larga construite pe baza datelor tomografice obtinute prin microscopie electronica.

Ce este un magnet NdFeB?

 Iata caracteristicile principale ale unui magnet Nd-Fe-B:

• Forta magnetica ridicata: Magnetii Nd-Fe-B au o energie magnetica foarte mare (dintre toti magnetii permanenti au energia magnetica cea mai ridicata), ceea ce inseamna ca pot produce un camp magnetic puternic intr-un volum mic.
• Temperatura Curie: Acestea au o temperatura Curie relativ scazuta (in jur de 60-80 °C), ceea ce inseamna ca isi pierd proprietatile magnetice la temperaturi relativ scazute comparativ cu alti magneti permanenti. Exista insa si magneti neodim speciali care au temperaturi Curie mai ridicate, spre 120-150 grade.
• Fragilitate: Magnetii Nd-Fe-B sunt fragili si predispusi la crapare sau spargere daca sunt manipulati incorect.

Compozitie si Fabricare:

• Compozitie: Magnetii NdFeB sunt compusi dintr-un amestec de neodim (Nd), fier (Fe) si bor (B), impreuna cu alte elemente de tranzitie si metale terte pentru a imbunatati anumite proprietati (cum ar fi stabilitatea termica).
• Proces de fabricare: Acesti magneti sunt produsi prin diferite metode, cum ar fi sinterizarea, legarea si compactarea la cald.

Utilizari comune ale magnetilor NdFeB:

• Motoare electrice: Sunt utilizati in motoarele electrice pentru vehicule electrice si hibride datorita fortei lor magnetice puternice si dimensiunilor compacte.
• Generatoare: Sunt esentiali in generatoare pentru turbine eoliene.
• Dispozitive electronice: Utilizati in hard disk-uri, difuzoare, microfoane si alte echipamente electronice.
• Medicina: Utilizati in aparatele de rezonanta magnetica (IRM) si in diverse dispozitive medicale.
• Industrial: senzori magnetici (pot fi foarte fini la distante mari), magneti pentru fixarea cofrajelor, magneti pentru ridicare, filtre magnetice (cereale, faina, lichide alimentare).

Avantaje si Dezavantaje ale magnetilor neodim:

1. Camp magnetic puternic intr-un volum mic. Este uimitor cum un magnet foarte mic poate concentra atata forta. Ex. un magnet neodim de 10×2 mm poate avea o forta de atractie de 1,2 kg!
2. Diverse forme si dimensiuni disponibile. Aici putem vorbi de la forme de disc, cilindru, paralelipiped pana la forme atipice, cum sunt magnetii din hard-diskurile clasice.
3. Stabilitate pe termen lung a magnetismului. Magnetii NdFeB isi pastreaza proprietatile timp indelungat, rata de demagnetizare fiind foarte scazuta.

1. Sensibili la temperaturi ridicate: magnetii neodim se pot demagnetiza permanent la temperaturi de peste 60-80 grade C. Asadar, nu fixati ceva cu magneti neodim pe un burlan fierbinte (dar puteti utiliza magneti din ferita, rezistenti la temperaturi inalte!)
2. Fragilitate ridicata: magnetii au in general un invelis extrem de subtire din Ni-Cu-Ni aplicat in conditii speciale. Invelisul subtire ajuta ca magnetii sa fie mai aproape de diverse obiecte dar sunt si mai sensibili la zgariere, frecare. In plus, deoarece magnetii NdFeB sunt extrem de puternici dar cateodata se prezinta in forme extrem de subtiri,
3. Coroziune daca nu sunt protejati corespunzator (de obicei sunt acoperiti cu un strat protector de nichel, zinc, cauciuc sau chiar aur). Atunci cand sunt zgariati pana la materialul NdFeB acesta oxideaza repede. Ca urmare, magnetul neodim se va macina repede si isi va pierde proprietatile magnetice. Nu va recomandam sa pastrati magneti sparti sau zgariati deoarece va puteti taia, zgaria sau avea probleme datorita contactului cu materialul din care sunt confectionati (alergie).

Ce rol are simularea inversarii de magnetizare asupra unui magnet NdFeB?

Astfel de simulari au adus lumina asupra caracteristicilor microstructurale care sunt in stransa legatura cu forta coercitiva a unui magnet NdFeB (rezistenta la demagnetizare). Experimentele cuantifica rezistenta unui magnet la demagnetizare in campuri magnetice opuse. Noile modele bazate pe tomografie sunt de asteptat sa ghideze dezvoltarea magnetilor permanenti durabili cu performanta maxima.

Pare complicat, dar la ce ajuta simularea inversarii de magnetizare? Un exemplu ar fi in generarea de energie ecologica. Transportul electric si alte industrii de inalta tehnologie se bazeaza in mare masura pe magneti permanenti de inalta performanta. Magnetii Nd-Fe-B sunt cei mai puternici si cei mai solicitati. Forta coercitiva (rezistenta la demagnetizare) a magnetilor industriali NdFeB este mult sub limita sa fizica pana acum. Pentru a rezolva aceasta problema, pot fi folosite simulari micromagnetice pe modele realiste ale magnetilor.

O noua abordare pentru a reconstrui microstructura reala a magnetilor NdFeB cu granulatie ultrafina in modele la scara mare este propusa in aceasta cercetare. Poti gasi cercetarea detaliata publicata acum in revista npj Computational Materials.

In mod specific, datele tomografice dintr-o serie de imagini 2D obtinute prin microscopia electronica de scanare (SEM) in combinatie cu lustruirea cu fascicul ionic focalizat (FIB) consecvent pot fi convertite intr-un model de elemente finite 3D de inalta calitate.

Aceasta abordare bazata pe tomografie este universala. In plus, poate fi aplicata altor materiale policristaline si abordeaza o gama larga de probleme din stiinta materialelor.

Ce este un material policristalin?

Caracteristici ale materialelor policristaline (magnet NdFeB):

• Structura granuloasa: Materialele policristaline sunt compuse din numeroase cristalite, fiecare avand dimensiuni care pot varia de la cativa nanometri pana la cativa milimetri.
• Limite de graunte: Intre fiecare dintre aceste cristalite exista limite de graunte (En: “grain boundaries”), care pot influenta proprietatile fizice si mecanice ale materialului.
• Proprietati isotrope: Datorita orientarii aleatorii a grauntelor, materialele policristaline tind sa fie isotrope in proprietatile lor, adica ele au aceleasi proprietati in toate directiile.

Exemple si utilizari ale materialelor policristaline:

• Metale: Majoritatea metalelor si aliajelor utilizate in practica sunt policristaline. De exemplu, otelul, aluminiul si cuprul sunt materiale policristaline utilizate pe scara larga in constructii si industrie.
• Ceramice: Multe materiale ceramice sunt policristaline, inclusiv oxidul de aluminiu (alumina) si dioxidul de siliciu.
• Semiconductori: Siliciul policristalin este utilizat in fabricarea celulelor solare si a unor componente electronice.

Avantaje si dezavantaje ale materialelor policristaline:

• Productie mai usoara si costuri mai mici comparativ cu materialele monocristaline.
• Proprietati mecanice superioare datorita prezentei limitelor de graunte care pot opri propagarea fisurilor.

• Proprietati electrice si termice inferioare materialelor monocristaline, datorita dispersiei electronilor la limitele dintre graunte.
• Uneori, proprietati mecanice mai slabe decat cele ale materialelor monocristaline, din cauza defectelor si orientarii aleatorii a grauntelor.

Ce rol are o simulare micromagnetica in coerctivitatea unui magnet NdFeB?

Simularile micromagnetice pe modelele bazate pe tomografie au reprodus coerctivitatea magnetilor Nd-Fe-B cu granulatie ultrafina si au explicat mecanismul acesteia. Au fost dezvaluite caracteristicile microstructurale relevante pentru coercitivitatea si nuclearea inversarii magnetizarii.

Astfel, modelul dezvoltat poate fi considerat ca un geaman digital al magnetilor NdFeB – o reprezentare virtuala a unui obiect conceput pentru a reflecta fizica cu acuratete.

Gemenii digitali (magnetii din simulare) propusi ai magnetilor Nd-Fe-B sunt suficient de precisi pentru a reproduce atat microstructura, cat si proprietatile magnetice. Si astfel, aceste proprietati magnetice pot fi implementate pentru problema inversa in proiectarea magnetilor permanenti de inalta performanta la cerere.

De exemplu, atunci cand cercetatorii introduc proprietatile magnetice necesare pentru o aplicatie specifica (de exemplu, tractiune sau motor cu forta magnetica variabila), o nisa de cercetare bazata pe date cu gemeni digitali integrati va putea propune compozitia optima. La fel sunt stabilite in avans conditiile de procesare si microstructura magnetului pentru acea aplicatie. Si astfel se reduce semnificativ timpul de dezvoltare, iar magnetul realizat va valida modelul digital si isi va atinge obiectivul pentru care a fost creat.

Daca doresti sa descoperi mai multe lucruri despre magnetii Nd-Fe-B te inivitam sa arunci un ochi aici.

Cum te putem ajuta?

Magazinul nostru supermagneti.ro se afla doar la un click distanta. Aici poti gasi numeroase produse, cu caracteristici magnetice variate, cum ar fi magneti neodim, magnetii din ferite sau chiar cadouri pentru cei dragi.

De asemenea, daca sunteti interesati de folie magnetica, gravuri sau alte tipuri de proiecte ce includ grafica va recomandam sa vizitati si site-ul prietenilor nostri de la magneticpromo.ro.
Cu Magnetic Promo ideile tale de grafica pot deveni realitate.

Daca este prea frig afara dar doresti sa faci activitati interesante cu copii tai avem niste recomandari de magneti de dimensiuni mici (sau poti testa kit-urile educationale 4M):

• Magnet neodim disc Ø1×1 mm, putere 31 g, N45
• Magnet neodim sfera Ø6 mm, putere 470 g, N38
• Magnet neodim disc cu autoadeziv Ø10×0,6 mm, putere 310 g, N35