Projekti / Programi
Visoko koercitivni permanentni magneti Nd-Fe-B z minimalnim dodatkom težkih redkih zemelj
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 2.04.00 |
Tehnika |
Materiali |
|
| Koda |
Veda |
Področje |
| T150 |
Tehnološke vede |
Tehnologija materialov |
| Koda |
Veda |
Področje |
| 2.05 |
Tehniške in tehnološke vede |
Materiali |
Trajni magneti Nd-Fe-B, visoko koercitivni magneti, difuzijski postopek, elektroforetsko nanašanje, zmanjšanje količine težkih redkih zemelj
Raziskovalci (1)
| št. |
Evidenčna št. |
Ime in priimek |
Razisk. področje |
Vloga |
Obdobje |
Štev. publikacijŠtev. publikacij |
| 1. |
32166 |
dr. Marko Soderžnik |
Materiali |
Vodja |
2016 - 2017 |
111 |
Organizacije (1)
| št. |
Evidenčna št. |
Razisk. organizacija |
Kraj |
Matična številka |
Štev. publikacijŠtev. publikacij |
| 1. |
0106 |
Institut "Jožef Stefan" |
Ljubljana |
5051606000 |
90.664 |
Povzetek
Povzetek
Trajni magneti Nd-Fe-B igrajo pomembno vlogo v hitro-rastoči proizvodnji naprav za rabo obnovljivih virov (električna prevozna sredstva, vetrnice za vetrne elektrarne). Edino te naprave so sposobne izkoristiti največji maksimalni energetski produkt (BHmax) med vsemi obstoječimi magneti. Kljub najvišjem energijskem produktu, še vedno obstajajo možnosti za izboljšavo koercitivnosti, saj je razkorak med teoretičnimi in praktičnimi magnetnimi lastnostmi velik. Teoretična koercitivnost magnetov na osnovi trdomagnetne faze Nd2Fe14B presega 6000 kA/m. Tisto kar omejuje trenutno koercitivnost magnetov Nd-Fe-B brez težkih redkih zemelj (TRZ=Dy ali Tb) na 1500 kA/m, je mikrostruktura. V visokokoercitivne magnete je zaradi tega nujno dodati Dy ali Tb z metodo mešanja. V tem primeru se običajno doda 2‑10 m % TRZ. Ta dva ključna elementa postajata zelo draga, poleg tega pa se v tetragonalno kristalno strukturo z Fe vežeta antiferomagnetno, kar ima izjemno negativen vpliv na remanenco magneta. V okviru predlaganega projekta bom količino TRZ v magnetih drastično zmanjšal in hkrati bistveno izboljšal koercitivnost, medtem ko na remanenco skoraj ne bo vpliva.
Predlagani raziskovalni projekt "Visoko koercitivni permanentni magneti Nd-Fe-B z minimalnim dodatkom težkih redkih zemelj" temelji na postopku po sintranju. Takšen postopek omogoča obenem zmanjšati količino TRZ v magnetih Nd-Fe-B in hkrati obdržati magnetne lastnosti na visoki ravni. S pomočjo t. i. difuzijskega postopka lahko znižamo končno ceno magneta saj je količina porabljenega dragega Dy ali Tb minimalna. Magnetne lastnosti so po takšnem postopku izboljšane do te mere, da je magnet uporaben tudi pri visokih temperaturah (100 °C), brez poslabšane učinkovitosti. Glavni cilj predlaganega projekta je sistematična optimizacija vseh suspenzijskih in procesnih parametrov. Ti parametri so ključnega pomena za kvaliteten elektroforetski nanos (EFN) TbF3 na površino magnetov. Magneti, obdani s tehniko EFN, bodo izpostavljeni različnim režimom toplotne obdelave. Ta bo potekala pri povišanih temperaturah, kjer pride do t. i. difuzijskega procesa med zrni, katerega posledica je bistveno višja koercitivnost.
Za karakterizacijo izboljšanih magnetov, bom uporabil različne analitske tehnike. Magnetne meritve pri različnih temperaturah bom opravil s permeametrom in magnetometrom z vibrirajočim vzorcem (VSM). Za mikrostrukturne in kemijske analize bom uporabil vrstični elektronski mikroskop na poljsko emisijo (FEG-SEM) in visoko ločljivostni presevni elektronski mikroskop (HRTEM). Visoko ločljivostne analize na atomski ravni bodo omogočile takojšen vpogled v kemijo in kristalno strukturo vzorca brez predhodnega modeliranja. Cilj je seveda razkriti mikrostrukturne značilnosti, ki vodijo v izboljšane magnetne lastnosti.
Temperaturna koeficienta α (za koercitivnost) in β (za remanenco) bom izračunal iz histereznih zank. Iz mikrostrukturnih podatkov bom naredil izračun koncentracije Tb v celotnem magnetu po t i. difuzijskem postopku in prav tako po dvostopenjskem difuzijskem postopku. S pomočjo EFN bom lahko nanesel natančno količino TbF3 na površino magneta. To je zelo pomembno z industrijskega vidika, kjer so stroški težkih redkih zemelj kritični dejavnik. Tehnologija izboljšanja magnetov z opisanim postopkom je zelo zanimiva za prenos v proizvodno linijo.
Pomen za razvoj znanosti
Temeljni cilj predlaganega raziskovalnega projekta je bil nadaljevati in nadgraditi svoje trenutno raziskovalno delo na področju sintranih permanentni magnetov NdFeB za uporabo v motorjih električnih in hibridnih vozil ter vetrnih elektrarn, ki so ključnega pomena okolje. Z glavnim namenom predlaganega raziskovalnega projekta sem sistematično in učinkovito izvedel vse željene optimizacijske korake pri procesu EFN s TbF3. Poleg tega sem s t. i. difuzijskim postopkom zagotovil najvišjo stopnjo difuzije, ki omogoča najvišjo koercitivnost z minimalnimi posledicami za remanenco. Nenazadnje je razumevanje korelacije med magnetnimi lastnostmi in mikrostrukturnimi značilnostmi v magnetih NdFeB ključnega pomena za nadaljnje izboljšanje in preboj trenutnega zaostanka za teoretičnim modelom. Pomen za razvoj znanosti in stroke je večplasten: -Razumevanje in opis difuzijskega postopka na osnovi EFN s prahom TbF3, ki drastično izboljša koercitivnost; Tehnološki »knowhow«. -Ponovljivost celotnega "procesa in magnetnih meritev" sem zagotovil z optimizacijo. -Dosegel sem najboljšo možno koercitivnost s pomočjo faze z najvišjo magnetno kristalno anizotropijo (Tb2Fe14B) z minimalnim dodatkom TbF3, kar ima velik pomen za nadaljnji razvoj na znanstvenem področju magnetizma. Dejavnosti, ki prispevajo k razvoju znanosti in stroke: -Objave člankov v mednarodnih znanstvenih revijah z visokim faktorjem vpliva. -Publikacije posameznih poglavjih v mednarodnih znanstvenih monografijah. -Vabljena predavanja na konferencah, delavnicah in simpozijih. -Mednarodna vpetost in sodelovanje z raziskovalnimi institucijami po vsem svetu. -Mreženje v sodelovanju z različnimi raziskovalnimi instituti. -Širjenja znanja na mlajše generacije, saj sem delovni mentor podoktorskem študentu in mnogim štidentom, ki na našem odseku pomagajo pri izvajanju tekočih nalog.
Pomen za razvoj Slovenije
Neposredni vpliv pretkano izboljšanega magneta z nizko količino težkih redkih zemelj (TRZ) in hkrati visoko koercitivnostjo je v njegovi uporabnosti in koristnosti. Kot sem že omenil, se visoko koercitivni magneti najpogosteje uporabljajo v hitro rastočih alternativnoenergetskih napravah (v električnih in hibridnih vozilih ter v vetrnih elektrarnah). Pri konvencionalni izdelavi magnetov NdFeB z metalurgijo prahov je potrebna velika količina težkih redkih zemelj, ker mora začetna zlitina običajno vsebovati okoli 2-10 m % TRZ. Z zniževanjem potrebo po teh 2-10 m % TRZ, lahko s tehnologijo, ki je opisana v projektu na dolgi rok razbremenimo evropske proizvajalce magnetov, ki so odvisni od Kitajske dobave strateškega Tb ali Dy. Pomembno je razumeti stavek "drastično zmanjšanje količine Tb " v predlaganem projektu. Zamenjava TRZ, kot je opisana v predlogu projekta, pomeni drastično zmanjšanje količine Tb. V okviru projekta sem uporabil izvirno idejo EFN za učinkovito uporabo TbF3, ter drastično zmanjšanje količine Tb, ki je na vrhu seznama nujno potrebnih kritičnih surovin, objavljenega s strani evropske komisija v letu 2014 (podrobno pojasnilo je v opisu vsebine projekta). Na evropski ravni imamo v Sloveniji mnogo podjetij, neposredno povezanih z magneti Nd-Fe-B. Zaradi tega dejstva bomo imeli na odseku veliko možnosti za sodelovanje z naslednjimi podjetji (Magneti Ljubljana, Letrika Mahle Šempeter pri Novi Gorici, Kolektor Idrija, Bosch...).
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Zaključno poročilo
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Zaključno poročilo
