Materiali compositi, ferrofluidi, amorfi nanocristallini. Materiali ... - DIE

Scuola di Dottorato in
Ingegneria Industriale
Indirizzo
INGEGNERIA ELETTROTECNICA
Materiali magnetici e piezoelettrici: attuali
sviluppi e applicazioni
(prof. G. Marchesi)
Parte II
Materiali compositi, ferrofluidi, amorfi nanocristallini
Materiali per magneti permanenti

2.1 Materiali magnetici compositi: gli SMC
Proprietà Proprietà -- 11
SMC (soft magnetic composites) sono miscele di polveri compattate.
compattate
a) Composti costituiti da polveri magnetiche ferrose disperse in una matrice
organica organica, che può essere una resina legante od un polimero polimero.
Correntemente utilizzati per applicazioni in alta frequenza, hanno basse
permeabilità ed induzione a saturazione, saturazione elevata resistività, resistività buona
resistenza meccanica.
b) Composti costituiti da polveri magnetiche isolate in superficie con
sostanze organiche o inorganiche assemblate mediante un legante.
Possono essere intesi come un’evoluzione un evoluzione dei primi: maggiore densità, e
quindi migliori caratteristiche magnetiche, limitate perdite per correnti
parassite. p
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2.1 Materiali magnetici compositi: gli SMC
Proprietà Proprietà -- 22
La presenza degli additivi comporta un limite ai trattamenti termici,
successivi alla compattazione, finalizzati ad aumentare la resistenza
meccanica, i diminuire di i i l’area l’ del d l ciclo i l d’isteresi d’i t i o, in i alcuni l i casi, i ad d
ottenere un determinato stato tensionale interno.
PPer alte lt ffrequenze : miscele i l di polveri l i molto lt complesse l
Per aumentare il valore massimo dell’induzione: ferro puro.
Generalmente le dimensioni delle particelle base vanno diminuendo al
crescere della frequenza delle applicazioni.
Polveri in uso: praticamente le stesse impiegate nelle leghe sinterizzate
ad alta resistenza meccanica.
Recenti sviluppi: introduzione di composti inorganici in luogo di quelli
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organici, quindi un aumento della densità (da cui dipendono le proprietà
magnetiche) ti h ) e trattamenti t tt ti ttermici i i più iù spinti.
i ti
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2.1 Materiali magnetici compositi: gli SMC
Proprietà Proprietà -- 33
Induzione di saturazione: mediamente di 1.8 T, circa il 10% inferiore a
quelle degli acciai laminati correntemente in uso. uso
Permeabilità: 100 ÷ 600 contro gli oltre 4000 dei lamierini.
Induzione residua: 0.2 ÷ 0.5 T.
Campo coercitivo: 100 ÷ 500 A/m.
Perdite: correnti parassite estremamente ridotte (singola particella
isolata); ); perdite p per p isteresi più p elevate per p mantenere ragionevoli g valori
di campo coercitivo.
Complessivamente circa 6 ÷ 7 W/kg a 1 T, circa doppie che nei comuni
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lamierini al silicio. Lo svantaggio diminuisce col crescere della frequenza: già à a
100 Hz sono paragonabili, oltre 200 Hz gli SMC si comportano addirittura meglio.
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2.1 Materiali magnetici compositi: gli SMC
Proprietà Proprietà -- 44
Isotropia: Isotropia: sia magnetica sia termica.
Resistività: 100 ÷ 2900 μΩm; su di essa incidono il mix di additivi ed i
trattamenti post-stampaggio
post stampaggio.
Temperatura di lavoro: 180°C per i punti caldi, 150°C per il punto di
lavoro lavoro. Consistenti variazioni cicliche di temperatura possono indurre
modificazioni irreversibili della resistività.
Finitura Finitura superficiale superficiale e e tolleranza: tolleranza: ottime da tutti i punti di vista, vista
tipiche di un processo produttivo basato sulla tecnologia delle polveri.
Resistenza Resistenza meccanica: meccanica: buona a compressione, compressione scarsa a trazione. trazione
Miglioramento possibile solo a discapito delle prestazioni magnetiche.
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2.1 Materiali magnetici compositi: gli SMC
Proprietà Proprietà -- 55
MATERIALI PER ALTE FREQUENZE Q
Materiali compositi costituiti da polveri di ferro rivestite in superficie, e
aggiunta i t di resina, i sono oggi i disponibili di ibili per applicazioni li i i in i alta lt frequenza f
fino a 1 MHz. Le polveri utilizzate possono essere prodotte mediante
particolari processi (atomizzazione ad acqua e riduzione di ossidi)
Per l’utilizzo in alta frequenza, il parametro principale è costituito dalle
perdite per correnti parassite parassite.
Affinché queste siano basse, occorre utilizzare delle polveri con taglia
delle particelle assai piccola, mediamente inferiore a 75 µm, e
contemporaneamente aggiungere una certa quantità di additivo,
solitamente organico: la frazione di questo è generalmente pari a circa
l’1%, ma in alcuni casi può arrivare fino al 3%. Un’ulteriore limitazione
delle perdite può essere ottenuta impiegando una resina inorganica come
strato t t iisolante l t superficiale fi i l delle d ll particelle.
ti ll
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2.1 Materiali magnetici compositi: gli SMC
Proprietà Proprietà -- 66
MATERIALI PER MEDIE E BASSE SS FREQUENZE Q
Elevata permeabilità relativa e alta induzione a saturazione si ottengono
aumentando t d lla densità d ità ed d adottando d tt d opportuni t i trattamenti t tt ti ttermici i i al l fine fi
di ridurre gli stress interni conseguenti al processo di compattazione.
Per produrre questi materiali si usano quasi esclusivamente polveri di
ferro ottenute col processo di atomizzazione e con grana delle particelle
che normalmente va da 150µm a 400µm. 400µm Taglie di queste dimensioni
determinano una maggiore permeabilità relativa, e perdite di potenza
specifiche più basse.
L’importanza della densità è dovuta alla relazione di proporzionalità che
esiste tra questa e l’induzione a saturazione.
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2.1 Materiali magnetici compositi: gli SMC
Proprietà Proprietà -- 77
Le ddensità à attualmente l raggiunte consentono di d giungere ad d un’induzione ’ d
a saturazione di circa 1.8 T, con campi dell’ordine di 30 kA/m, anche se si
può arrivare a valori di 22.37 37 T con campi di 340 kA/m. kA/m
Relazione fra densità ed induzione di un
materiale SMC misurata a 100 kA/m
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Effetto della densità sulla caratteristica B-H di un
SMC (Somaloy500)
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2.1 Materiali magnetici compositi: gli SMC
Proprietà Proprietà -- 88
Effetto della densità sulle perdite di
potenza specifiche (Somaloy 550®)
Perdite di potenza specifiche, per frequenze
da 0 a 1 KHz, relative a diversi tipi di
materiali. t i li
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2.1 Materiali magnetici compositi: gli SMC
Applicazioni Applicazioni -- 11
Caratteristiche positive:
Isotropia magnetica: utilizzo con linee di flusso tridimensionali e/o rotanti,
miglior comportamento in corrispondenza di punti critici quali le testate
Basse perdite per correnti parassite
Utilizzo Utilizzo della della tecnologia tecnologia delle delle polveri: realizzazione di strutture anche
complesse e sezionabili, tuttavia senza processi di sinterizzazione.
Elevato Elevato range range di di frequenze frequenze di di lavoro: dalla corrente continua fino al MHz
Stabilità delle caratteristiche a partire dalle fasi di produzione fino al
prodotto finito
Resistenza ad alte temperature di lavoro
Elevato Elevato sfruttamento sfruttamento del del materiale: materiale: con possibilità di costruire macchine
più compatte e strutture innovative
Facilità Facilità di di riciclaggio: riciclaggio: è possibile sbriciolarli e recuperarli separandoli dal
rame degli avvolgimenti
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2.1 Materiali magnetici compositi: gli SMC
Applicazioni Applicazioni -- 22
Caratteristiche negative:
Prestazioni Prestazioni magnetiche magnetiche inferiori inferiori ed induzione di saturazione inferiore del
10% circa rispetto ai lamierini
Minore Minore resistenza resistenza meccanica meccanica
Peggiore conducibilità termica
Necessità Necessità di di rivedere rivedere la la attuale attuale progettazione: progettazione: gli SMC si adattano solo a
particolari tipi di motori (ad es. motori a flusso assiale e trasverso, i
cosiddetti AFM e TFM, e statori a poli uncinati ); nei classici motori ad
induzione ed a riluttanza, invece, richiederebbero correnti di
magnetizzazione eccessive
Costi elevati: principalmente dovuti ai limitati volumi di produzione
nonostante i recenti progressi nelle tecniche.
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2.1 Materiali magnetici compositi: gli SMC
Applicazioni Applicazioni -- 33
Dalle polveri al pezzo finito
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2.1 Materiali magnetici compositi: gli SMC
Applicazioni Applicazioni -- 44
Denti e avvolgimenti
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2.1 Materiali magnetici compositi: gli SMC
Applicazioni Applicazioni -- 55
Esempi di denti e di statori a poli uncinati
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2.1 Materiali magnetici compositi: gli SMC
Applicazioni Applicazioni -- 66
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2.1 Materiali magnetici compositi: gli SMC
Applicazioni Applicazioni -- 77
Esempio di recupero degli SMC rispetto ai lamierini
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2.2 Ferrofluidi
Proprietà Proprietà -- 11
I ferrofluidi sono dispersioni di particelle magnetiche (ferro o ferrite) in
un liquido amagnetico.
Il liquido li id può ò essere acqua oppure un id idrocarburo. b
Le dimensioni delle particelle sono dell’ordine dei 10nm. Esse sono
assimilabili a monodomini magnetici, magnetici ovvero ad ogni particella è
associabile un unico momento magnetico.
Il comportamento magnetico dei ferrofluidi è descritto dal
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superparamagnetismo. Per quanto riguarda il comportamento in
condizioni stazionarie ci si rifà alla teoria di Langevin.
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2.2 Ferrofluidi
Proprietà Proprietà -- 22
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2.2 Ferrofluidi
Proprietà Proprietà -- 33
In campo dinamico, si deve tener conto del rilassamento. All’atto
dell’applicazione del campo ci vuole un po’ di tempo prima che i dipoli si
allineino al campo, ovvero raggiungano il grado di orientazione dato dalla
funzione di Langevin.
I ferrofluidi si caratterizzano anche per la loro viscosità. La viscosità può
impedire il completo allineamento con il campo dei dipoli delle particelle
più grandi (13nm). (13nm) Ciò determina un angolo fra momento magnetico
della particella e campo applicato. Si ha così una coppia magnetica che
ha come effetto un incremento della viscosità del ferrofluido.
Le dimensioni delle particelle influiscono sul comportamento magnetico
del ferrofluido e sulla sua viscosità. Si cercano pertanto p processi p chimici
che ne riducano le dimensioni.
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2.2 Ferrofluidi
Applicazioni Applicazioni -- 11
Se si riempie p il traferro con ferrofluido:
la forza di attrazione e repulsione fra due elettromagneti aumenta
si riduce la corrente di eccitazione a parità di forza sviluppata
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Esempio applicativo:
attuatore per valvola ventricolare
Incremento di induzione al traferro con
tre tipi di ferrofluido a diversa B s
Incremento relativo di forza con
tre tipi di ferrofluido
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2.2 Ferrofluidi
Applicazioni Applicazioni -- 22
I ferrofluidi trovano grande applicazione nel campo dei sensori:
trasduttori di portata
sensori di volume
sensori inerziali
inclinometri
Più difficile l’applicazione alle macchine rotanti:
problemi legati al confinamento del ferrofluido.
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2.2 Ferrofluidi
Applicazioni Applicazioni - 33
Micropompa a ferrofluido: trattamento di microscopiche
quantità di fluido nell’esecuzione delle analisi chimiche. chimiche
Dimensioni del canale di microfluido: da 1 µm a 1 mm.
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2.3 Metalli amorfi nanocristallini
Proprietà Proprietà - 11
Si tratta di leghe a base di ferro dalle particolari proprietà magnetiche:
basse perdite (fino a 0,08 W/kg a 1 T e 50 Hz)
alta permeabilità e magnetostrizione pressoché nulla (tipiche dei
permalloys e di leghe amorfe a base di Co)
induzione di saturazione fino a 11,3 3 T (molto superiori a quelle dei
suddetti materiali)
Struttura cristallina ultrafine, con dimensioni dei grani di 10-15 nm.
Composizione in percentuale della lega: Fe 73,5Cu 1Nb 3Si 13,5B 9
Può considerarsi una tipica composizione di metallo amorfo Fe Si B con
l’aggiunta di Cu e Nb.
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2.3 Metalli amorfi nanocristallini
Proprietà Proprietà - 22
Il materiale è prodotto per rapida solidificazione, sotto forma di nastro
amorfo di 20 µm di spessore.
Poi è sottoposto a ricottura al di sopra della propria temperatura di
cristallizzazione.
Microstruttura risultante:
grani ultrafini di Feα (ferrite) 20% e Si, dimensioni tipiche 10-15 nm
immersi in una matrice amorfa residua che occupa il 20-30% del volume
a distanza di 1-2 nm fra loro
La formazione di questa particolare struttura è attribuita agli effetti
combinati di Cu e Nb e alla loro scarsa solubilità nel Feα.
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2.3 Metalli amorfi nanocristallini
Proprietà Proprietà - 33
Per avere il l migliore l comportamento magneticamente dolce d l un materiale l
deve essere caratterizzato da una bassa o trascurabile anisotropia
magnetocristallina
magnetocristallina.
In questo caso predomina la sola energia di scambio.
La dimensione critica per la quale l’energia di scambio comincia a
bilanciare quella di anisotropia è data da:
L ≈
0
dove A e K 1 sono costanti relative all’energia di scambio e all’energia di
anisotropia.
Per grani Fe20%-Si L0≈35nm, che determina ad esempio l’ordine di
grandezza d delle d ll pareti ti di dominio.
d i i
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A
K
1
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2.3 Metalli amorfi nanocristallini
Proprietà Proprietà - 44
Se la dimensione dei grani DD è ridotta al di sotto di LL 00 la magnetizzazione
non segue gli assi di magnetizzazione facile dei singoli grani (nell’insieme
orientati casualmente) ma è forzata ad allinearsi parallelamente
dall’interazione di scambio.
Di conseguenza le anisotropie locali sono mediate su un numero
crescente di grani la costante di anisotropia effettiva viene ridotta. ridotta
Ad esempio per D≈L0/3 (dimensioni
dei grani intorno a 10-15 nm)
l’anisotropia magnetocristallina è
ridotta di tre ordini di grandezza. grandezza
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Campo coercitivo in funzione della
dimensione media dei grani cristallini
per leghe magnetiche.
Simboli vuoti: solidi
Simboli pieni: nastri
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2.3 Metalli amorfi nanocristallini
Proprietà Proprietà - 55
Le leghe nanocristalline a base di Fe possono raggiungere valori minini e
addirittura trascurabili di magnetostrizione a saturazione. Ciò minimizza
le anisotropie magneto-elastiche.
Ne consegue ad esempio l’aumento fino a un ordine di grandezza della
permeabilità iniziale.
E’ possibile adattare la forma del ciclo di isteresi alle varie applicazioni.
Ciò si ottiene mediante una ricottura in presenza di campo magnetico magnetico,
che induce una direzione di magnetizzazione facile parallela al campo
stesso.
L’anisotropia così indotta prevale su tutte la altre forme di anisotropia.
La resistività àè è intorno a 0,5 µΩ m per leghe Fe-Cu-Zr-B e 1,15 µΩ m per
leghe Fe-Cu-Nb-Si-B.
I bassi valori delle perdite anche alte frequenze sono favoriti dal ridotto
spessore dei nastri.
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2.3 Metalli amorfi nanocristallini
Applicazioni
Applicazioni
Grazie alla composizione di base (Fe) poco costosa e ad una tecnologia
di produzione d i ormai i consolidata lid t l’uso l’ di questi ti materiali t i li è in i costante t t
crescita per:
nuclei magnetici per interruttori differenziali
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filtri di linea per corrente alternata
trasformatori di potenza in alta frequenza
trasformatori di impulsi
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2.4 Materiali per magneti permanenti
Proprietà Proprietà - 11
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Leghe Sm-Co
2.4 Materiali per magneti permanenti
Proprietà Proprietà - 22
B ~1T H fino a 700kA/m (BH) =150-250kJ/m3 Br~1T, Hc fino a 700kA/m, (BH) max=150 250kJ/m ,
temperatura di funzionamento ~ 250 °C
temperatura di Curie ~ 720 °C
Leghe h Nd-Fe-B d
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Br~1,2T, Hc>1MA/m, (BH) max>400kJ/m3 r , , c / , ( ) max / ,
temperatura di funzionamento 80-200 °C
temperatura di Curie 310-350 °C
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2.4 Materiali per magneti permanenti
Corrosione Corrosione - 11
Le leghe Nd-Fe-B mostrano limiti rilevanti sia quanto a stabilità termica
sia per la loro resistenza alla corrosione.
L’esame al microscopio elettronico mostra che la corrosione si manifesta
prevalentemente a carico dei giunti di grano
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Prove sperimentali:
2.4 Materiali per magneti permanenti
Corrosione Corrosione - 22
in atmosfera “industriale” (con composti solforosi) la corrosione è
risultata circa nove volte superiore a quella in ambiente “marino”
(composti clorurati).
Necessità di garantire una durata di vita adeguata.
LLa resistenza i t alla ll corrosione i può ò essere migliorata i li t aggiungendo i d altri lt i
elementi in lega:
Co migliora anche le proprietà magnetiche e innalza la temperatura di
Curie, ma riduce il campo coercitivo
altri elementi: Dy, Tb, Si, Al, Mo, W
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2.4 Materiali per magneti permanenti
Corrosione Corrosione - 33
Si ricorre alla protezione superficiale.
La placcatura delle leghe NdFeB è un procedimento complesso e non è
facile ottenere rivestimenti con buona adesione.
Rivestimenti in Ni, Zn o Sn garantiscono buona resistenza alla
corrosione.
Con tecniche di deposizione in vuoto, si realizzano anche rivestimenti in
cromato di cadmio o cromato di alluminio.
Si usano anche rivestimenti organici; risultati migliori con un sistema a
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due strati: quello inferiore in resina epossidica e quello superiore in
poliuretano
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2.4 Materiali per magneti permanenti
Corrosione Corrosione - 44
Fra le leghe Sm-Co, la lega SmCo 5 è la meno resistente alla corrosione.
Tuttavia la corrosione è molto inferiore a quella delle leghe Nd Nd-Fe-B Fe B nelle
stesse condizioni ambientali.
In ambiente industriale la corrosione è circa il doppio di quella in ambiente
marino.
La protezione superficiale non è necessaria per quanto riguarda la
resistenza alla corrosione.
Per mantenere una superficie pulita si usa eventualmente una resina
fenolica fenolica. Per applicazioni medicali la protezione è un placcatura in nichel nichel.
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