Innovaciones en Materiales Magnéticos

Dr. Fabio D. Saccone G. de Materiales Magnéticos,

Lab. Sólidos AmorfosINTECIN-FIUBA

FORO DE DEBATE INNOVACIÓN POST-CRISIS1 al 3 de Diciembre, 2009 Ciudad de Buenos Aires

Esquema

Definiciones útiles en materiales magnéticos. Requerimientos específicos según el tipo de aplicación.Aplicaciones a la generación de energía eólica,

motores eléctricos de alta eficiencia y transformadores. Proyecto FAN.¿Porqué Nano en magnetismo? El ejemplo de

imanes nanoestructurados y la magnetorresistencia gigante. Biosensores. Proyecto conjunto con el INTI.

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motores eléctricos de alta eficiencia y transformadores. Proyecto FAN.¿Porqué Nano en magnetismo? El ejemplo de

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Aplicaciones energéticas

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Almacenamiento de datos

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Idea-Proyecto FAN

“Materiales Magnéticos de Nueva Generación”

Material amorfo y nanoestructurado para núcleos de transformadores

Polvos magnéticos micrométricos para núcleos de motores

Imanes permanentes de Nd de estructura nanométrica.

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Deseos de los clientes Incremento de la capacidad de generación eléc­

trica y de torque mecánico disponible en moto­res

Mayor eficiencia energética y durabilidad. Am­bientalmente amigable.

Optimización de los diseños con herramientas novedosas en función de esos requisitos

Mat. Magnéticos Amorfos, Nanoestructurados y Micrométricos satisfacen estos 3 requerimientos 

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Material amorfo para núcleos de transformadores

New amorphous alloy (Hitachi Metals)

New amorphous core

(Hitachi Industrial Equipment Systems)

Amorphous transformer

(Hitachi Industrial Equipment Systems)

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EQUIPO MELT SPINNING

PROYECTO FAN

Fundición por batch

Reservorio de material fundido (calefaccionado)

Boquilla

SISTEMA DE FUNDICIÓN

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Polvos magnéticos micrométricos para núcleos de motores (SMC)

Partículas RevestidasAtomización centrífuga

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Dr. Ing. Marcelo Pagnola

POTENCIALIDAD: ESTA RUTA PERMITE EL RECICLADO DE DESECHOS FERROSOS

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Imanes de Nd: Incremento de la capacidad de generación eléctrica y de torque mecá-nico disponible en motores de baja veloci-dad

Asinc

Sinc

(BH)MAX

= máxima

densidad de energía magnéti-ca disponible

Máquinas sincrónicas 670 HP (500 kW) 600 rpm sin cajas reductoras/multiplicadoras

FerritasAlnicos

Sm-CoNd-Fe-B

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Ejemplos de aplicaciones más recientes

Vehículos híbridos

● Aerogeneradores

Ausencia de caja mul-tiplicadora. Bajas ve-locidades, ideal aero-generadores

Audífonos y auriculares

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Longitudes Características

Fe: 18 nm

Ni: 5.5 nm

Co: 51 nm

Nd2Fe14B: 1.3 nm

SmCo5: 1.2 nm

LExch= AK

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Pared de dominio

= AK

K, Cte AnisotropiaA, Cte Interacción

Mayor eficiencia energética y du-rabilidad

Incremento de la densidad de energía almacenada mediante la obtención de una estructura a escala nanoscópica consistente en mezclas de fases ferromagnéticas duras y blandas.

La reducción en la concentración de Nd aumenta la resistencia a la corrosión

HITACHI

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SPRAX® de NEOMAX

Bottom-up

Solidificación Rápida: obtención de una estructura ultra­refinada desde la cual se obtienen materiales con granos nanoscópicos mediante tratamientos térmicos apropiados

Sinterizado: debe prevenirse el crecimiento excesivo del tamaño de grano.

Materia prima

Fundición Melt spinning

Molido de cintas

Sinterizado y conformado

Forma final

superparamagnético

Dominio único Multi Dominio

estable

Coe

rcitiv

idad

Diámetro de la partícula

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Ventana estrecha de procesamiento=>control preciso de las

variables y la cinética

-150

-100

-50

0

50

100

150

-6 -4 -2 0 2 4 6

x=0,25, TA=685 °C

x=0, TA= 685 °C

x=0, TA =600 °C

H (kOe)

σ (e

mu/

g)

MS

HC

MR

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Otra aproximación (Top-down)

Refinamiento de la microestructura mediante un agente gaseoso (Hidrógeno, atmósfera corrosiva)

Varios Varios µµ mm

∼∼ 300 nm300 nm

● Hidrogenación● Desproporcionamiento● Desorción● Recombinación

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Situación Actual del Proyecto

Estudio de Mercado basado en demandas de Argentina, Brasil, España, Alemania, Estados Unidos y México ha sido aprobado por la FAN

Se aceptó segmentar el proyecto al conseguir contraparte privada interesada en la transferencia de los núcleos amorfos (ELECTROPART S.A.)

Estamos abiertos a dialogar con empresas que puedan estar interesadas en polvos SMC e imanes

Análisis de costos

Polvos de Nd­Fe­B obtenidos por: 1) solidificación rápida + molienda (Magnequench) 2) HDDR + molienda (Aichi)

Dos motores por vehi-culos reemplazados=> ahorro de 0,2 l/100 km

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Nuestra experiencia de Optimización de Diseño (en colab. con GEA-FIUBA)

Tesis de Ing Electricista FIU-BA, Ing P Gill Estévez (2008)

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Próximos pasos

Estudio de la eficiencia de la máquina de imanes permanentes en condiciones dinámicas (Diagramas FORC)

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Diagramas FORC

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0

8

9

10

11

12

R (

ohm

)

I (A)

Imax

= 0.89 A

Imax

= 0.75 A

Imax

= 0.35 A

Imax

= 0.20 A

TM=300 K T

M=300 K

TM=20 K Cintas de Nd-Fe-B tratadas térmicamente

mediante Calentamiento Joule

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Situación Actual y Perspectivas

Se tiene amplio know­how en las rutas de procesamiento de imanes de Nd­Fe­B que tienen mayores perspectivas en la actual etapa

Se ha incursionado recientemente en cooperación con la cá­tedra de Maq. Eléctricas de FIUBA en el modelado de Ae­rogeneradores de Maq.sincrónicas de IP.

Se cuenta con amplio equipamiento de caracterización es­tructural y magnético de los materiales (DRX, Mossbauer, Calorimetría, PPMS y VSM)

Proyecto FAN: inversión en nuevos equipos de preparación de materiales a escala piloto

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Situación Patentes Two other process methods have been mentioned, that 

apply to powder for  bonded magnets. The manufacture of anisotropic NdFeB powder by HDDR was invented by Mitsubishi Materials Corporation but still forms the basis for the more complex process used by Aichi Steel. The last of these patents15 will expire in May, 2009. 

The manufacture of isotropic NdFeB powder by rapid solidification was invented by General Motors Corpo­ration and is still practiced by Magnequench, but the last of these patents16 expires in December, 2009. (IPM Analysis Cost Report 2008)

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Magnetorresistencia Gigante

Fenómeno intrínseco observable en sistemas nanoestructurados (multicapas o granulares)

La geometría más empleada en almacenamiento de datos es la CPP. TMR=

RR

=R −R R

=2P1P2

1−P1P2

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Definiciones útiles en materiales magnéticos. Requerimientos específicos según el tipo de aplicación.Aplicaciones a la generación de energía eólica,

motores eléctricos de alta eficiencia y transformadores. Proyecto FAN.¿Porqué Nano en magnetismo? El ejemplo de

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Ablación Láser

 Nd:YAG 1064nm pulsado Q­switch  

532 nm a P= 50%, 355 nm a P= 20%, o 266 nm a 15 %

Uso standard:   pulsos de 5nseg, E entre 45 y 60mJ por pulso y f=10 Hz.

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Idea Básica del Biosensor

Fuentes de ruido: 1/f, Johnson, Barkhausen.

Optimización de geometría: area electricamente activa pequeña, pero no tanto

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Colaboradores

Núcleos amorfos FAN: Marcelo Pagnola, Leandro Socolovsky, Bibiana Arcondo, Hugo Sirkin y  Santiago Preckel.

Polvos SMC: Marcelo Pagnola Imanes de Nd nanoestructurados: Laura Pampillo, 

Marcelo Pagnola y  Santiago Preckel. Biosensores magnetorresistivos: Federico Golmar, 

Leandro Socolovsky, Laura Pampillo, Pablo Granell, Liliana Fraigi (INTI) y Carlos Moira (INTI)

Gracias por su atención!!!