Avaliação de compósito magnético mole baseado em partículas ferromagnéticas recobertas com pentóxido de nióbio nanoparticulado e fases vítreas

Abstract

A eficiência energética é um dos principais focos do desenvolvimento tecnológico mundial e, sendo assim, os materiais magnéticos ganham destaque, visto que novos desenvolvimentos nessa área buscam a otimização de dispositivos ligados à geração e à conversão de energia elétrica. Os compósitos magnéticos moles (Soft Magnetic Composites ? SMCs) são uma classe de materiais magnéticos cuja configuração visa à redução de perdas devido à alta resistividade elétrica introduzida pelo revestimento isolante de partículas ferromagnéticas em um compactado, permitindo a condução do fluxo magnético de maneira isotrópica em três dimensões e possibilitando a miniaturização de motores elétricos, designs inovadores e aplicações mais sofisticadas. Essas vantagens têm sido vinculadas ao aumento na frequência de trabalho destes motores. No entanto, esse aumento leva a uma maior perda energética por conta da aparição de correntes parasitas no núcleo magnético. Uma forma de mitigar esses efeitos se dá através do desenvolvimento de propriedades nos SMCs que tragam simultaneamente alta magnetização de saturação e elevada resistividade elétrica. Tais propriedades são dependentes das características da partícula ferromagnética e do revestimento isolante. Portanto, tendo tudo isto em vista, o objetivo deste trabalho é avaliar um SMC contendo como primeira camada nanopartículas de óxido de nióbio (Nb2O5) e como segunda camada uma fase vítrea. Estas nanopartículas óxidas foram obtidas através de uma suspensão estável de Nb2O5 recebida de uma empresa parceira e caracterizadas por meio de análises de distribuição de tamanho de partícula, MEV-EDX, potencial zeta e tamanho hidrodinâmico. Adicionalmente, a utilização de uma fase vítrea composta por óxido de boro foi utilizada com parâmetros fixados para avaliar como a camada óxida interagiria com a camada vítrea, sendo o silicato de potássio do tipo vidro líquido o gerador da camada vítrea estudada nesta pesquisa. A mesma, então, foi dividida em quatro etapas: na primeira, o pó de ferro utilizado teve suas propriedades magnéticas melhoradas através de um tratamento térmico prévio em forno resistivo e caracterizadas com microscopia óptica e medição de propriedades magnéticas. Este tratamento reduziu em 43% as perdas por histerese e aumentou em 17% a permeabilidade em relação ao pó de ferro comercial. Na segunda etapa, houve o revestimento com Nb2O5 variando tempo de mistura da solução com Nb2O5 e sua concentração molar. A amostra com menor concentração molar de Nb2O5 e menor tempo de mistura (10 mM ? 15 min) se destacou como mais promissora. Na terceira etapa, novos métodos de medição magnética e elétrica foram desenvolvidos e dispositivos de medição magnética e elétrica foram produzidos devido a problemas ocorridos no equipamento comercial, onde os resultados obtidos nestes dispositivos foram comparados e validados com êxito. Por fim, ocorreu a última etapa: o recobrimento com silicato de potássio, variando a concentração de sólidos da solução. O novo SMC de dupla camada produzido foi avaliado utilizando as ferramentas de medição desenvolvidas no laboratório com resultado de resistividade promissor para fração de silicato de potássio de 1,5% em massa.

Abstract: Energy efficiency is one of the main focuses of global technological development and, therefore, magnetic materials gain prominence, as new developments in this area seek to optimize devices linked to the generation and conversion of electrical energy. Soft Magnetic Composites (SMCs) are a class of magnetic materials whose configuration aims to reduce losses due to the high electrical resistivity introduced by the insulating coating of ferromagnetic particles in a compact, allowing the conduction of magnetic flux in an isotropic manner in three dimensions and enabling the miniaturization of electric motors, innovative designs and more sophisticated applications. These advantages have been linked to the increase in the working frequency of these engines. However, this increase leads to greater energy loss due to the appearance of eddy currents in the magnetic core. One way to mitigate these effects is through the development of properties in SMCs that simultaneously bring high saturation magnetization and high electrical resistivity. Such properties are dependent on the characteristics of the ferromagnetic particle and the insulating coating. Therefore, with all this in mind, the objective of this work is to evaluate an SMC containing niobium oxide nanoparticles (Nb2O5) as the first layer and a glass phase as the second layer. These oxide nanoparticles were obtained through a stable suspension of Nb2O5 received from a partner company and characterized through analysis of particle size distribution, SEM-EDX, zeta potential and hydrodynamic size. Additionally, the use of a glass phase composed of boron oxide was used with fixed parameters to evaluate how the oxide layer would interact with the glass layer, with liquid glass-type potassium silicate being the generator of the glass layer studied in this research. It was then divided into four stages: in the first, the iron powder used had its magnetic properties improved through prior heat treatment in a resistive furnace and characterized with optical microscopy and measurement of magnetic properties. This treatment reduced hysteresis losses by 43% and increased permeability by 17% compared to commercial iron powder. In the second stage, there was coating with Nb2O5 varying the mixing time of the solution with Nb2O5 and its molar concentration. The sample with the lowest molar concentration of Nb2O5 and the shortest mixing time (10 mM ? 15 min) stood out as the most promising. In the third stage, new magnetic and electrical measurement methods were developed and magnetic and electrical measurement devices were produced due to problems occurring in commercial equipment, where the results obtained from these devices were successfully compared and validated. Finally, the last stage occurred: coating with potassium silicate, varying the concentration of solids in the solution. The newly produced double-layer SMC was evaluated using the measurement tools developed in the laboratory with promising resistivity results for a potassium silicate fraction of 1.5% by mass.