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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
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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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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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Aplicaciones energéticas
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Almacenamiento de datos
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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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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
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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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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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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
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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
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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
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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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Esquema
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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)
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Gracias por su atención!!!