Projekti / Programi
Visoko koercitivni Nd-Fe-B plasto vezani magneti za avtomobilsko aplikacijo.
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 2.04.02 |
Tehnika |
Materiali |
Kovinski materiali |
| Koda |
Veda |
Področje |
| P200 |
Naravoslovno-matematične vede |
Elektromagnetika, optika, akustika |
| Koda |
Veda |
Področje |
| 2.05 |
Tehniške in tehnološke vede |
Materiali |
trajni magneti, visoko koercitivni magneti, intermetalne zlitine, redke zemlje-elementi prehoda, avtomobilska aplikacija, plasto vezani magneti
Raziskovalci (4)
| št. |
Evidenčna št. |
Ime in priimek |
Razisk. področje |
Vloga |
Obdobje |
Štev. publikacijŠtev. publikacij |
| 1. |
21023 |
Peter Kernel |
Materiali |
Raziskovalec |
2011 - 2014 |
0 |
| 2. |
04355 |
dr. Spomenka Kobe |
Materiali |
Vodja |
2011 - 2014 |
764 |
| 3. |
26027 |
dr. Andraž Kocjan |
Materiali |
Raziskovalec |
2011 - 2014 |
74 |
| 4. |
18594 |
dr. Paul John Mc Guiness |
Materiali |
Raziskovalec |
2011 - 2014 |
338 |
Organizacije (2)
Povzetek
Hibridna in električna vozila predstavljajo resno težnjo v ohranjanju okolja in s tem tudi resno zahtevo po izboljšanih lastnostih trajnih magnetov, ki so najpomembnejši del takega avtomobila. V predlaganem projektu bomo uporabili različne nove tehnike in procese, ki bodo vodili k razvoju in proizvodnji visokokoercitivnih magnetov s poudarkom na spremenjeni mikrostrukturi in sestavi faze na mejah med zrni.
Cilj predlaganega projekta je v izdelavi visokokoerctivnega materiala z ultra-fino mikrostrukturo v kombinaciji z lokaliziranim Dy na mejah med zrni s postopkom hitro kaljene litine v inertni atmosferi Ar. Mikro -nano -strukturo bomo kvantitativno analizirali z uporabo vrstične in presevne elektronske mikroskopije. Za natančne analize kemijske sestave, fazne sestave in za opazovanje mej med zrni bomo uporabili visoko ločljivo elektronsko mikroskopijo (HRFEG SEM in HRTEM) opremljeno z najmodernejšimi analitskimi tehnikami kot so: EDXS, WDXS, EELS, HAADF-STEM in FIB. Te preiskave bodo omogočile boljše razumevanje vpliva mikrostrukture na končne magnetne lastnosti materiala in nam omogočile doseči cilj, to je visoko koercitivno silo, ne da bi se poslabšala remanentna magnetizacija. Magnetne meritve bomo izvajali na vibracijskim magnetometru (VSM), SQUID-u in PPMS.
V drugem delu predlaganega projekta raziskav in razvoja Nd-Fe-B plasto-vezanih magnetov bo poudarek na kemiji in površinskih lastnostih prahov, ki bo omogočil največjo možno tečljivost prekritih prahov v produkcijski verigi in največjo možno vsebnost aktivnega magnetnega prahu in istočasno potrebne mehanske lastnosti. Poseben poudarek bo na anizotropnih lastnostih izhodnega materiala, ki bo predstavljal osnovo za plasto-vezane magnete in bo obenem pomenil tudi glavni napredek in dvig kvalitete v primerjavi z obstoječimi izotropnimi magneti. V okviru tega dela projekta bomo študirali in izvedli tudi magnetizacijsko tehniko večpolne magnetizacije.
Raziskava v okviru predlaganega projekta bo zajemala kombinacijo razvoja novega tipa mikrostrukture z drastično zmanjšano velikostjo zrn in z načrtovano minimalno koncentracijo Dy na mejah med zrni. Z koncentracijo Dy samo na mejah med zrni bomo dosegli lokalizirane lastnosti. Dosegli bomo, da Dy ne bo difundiral v trdomagnetno Nd2Fe14B fazo, kjer v kombinaciji z Fe povzroča poslabšanje remenantne magnetizacije zaradi antiferomagnetne sklopitve med elementi z 3d in 4f elektroni.
Inovativnost predlaganega projekta je locirati težko redko zemljo samo na mejah med zrni ter tako močno povečati koercitivnost istočasno pa preprečiti difuzijo težke redke zemlje v trdomagnetna zrna in tako preprečiti istočasno zmanjšanje remanentne magnetizacije.
Drugo področje raziskav v predlaganem projektu je izboljšati kemijske in površinske lastnosti magnetnega materiala z namenom izboljšati tečljivost »oblečenih« prahov (prekritih z monomolekularno plastjo organske prevleke. Izboljšana tečljivost bo omogočila večjo sposobnost polnjenja orodja in večjo vsebnost magnetnega materiala v končnem produktu, ter tako izboljšanje končnih magnetnih lastnosti. Ta del projekta bo osredotočen na inovativne površinske dodatke.
Zadnja svetovna poročila sicer kažejo na izjemno slabo prognozo glede razpoložljivosti redkih zemelj na svetovnem trgu, vendar je Slovenija iz te situacije zagotovo izvzeta iz vsaj dveh razlogov. Proizvodnja trajnih magnetov na osnovi redkih zemelj je v primerjavi z Japonsko in Kitajsko zelo majhna in Kitajski ni konkurenčna torej ni razloga za embargo. Drugič pa je firma Kolektor poslovno lastniško povezana na Kitajskem in bo imela tudi v bodoče nemoten dostop do teh strateško pomembnih surovin in s tem veliko prednost na svetovnem trgu.
Pomen za razvoj znanosti
Magnetni materiali na osnovi zlitin redkih zemelj in elementov prehoda kot najmočnejši znani magneti predstavljajo velik izziv predvsem zaradi potencialne uporabe v hibridnih električnih vozilih, električnih vozilih in vetrnih turbinah kar je izrednega ekološkega pomena (čisto okolje, prihranek energije). Projekt je bil usmerjen k izjemnim izzivom na področju materialov in tehnologij s ciljem pridobiti nova znanja za razvoj boljših trajno magnetih materialov od obstoječih z zvišanjem koercitivne sile ne da bi se pri tem zmanjšala remanenca ter s tem zvišanjem energijskega produkta sintranih in plastovezanih Nd-Fe-B magnetov. Končni cilj projekta je bil ne le optimizirati obstoječe tehnologije vendar predvsem preseči meje do sedaj znanega in z izhodiščem v znanem procesnem sistemu sintranih magnetov odkrivati nove možnosti za doseganje vrhunskih lastnostih tudi plastovezanih magnetov z inovativnostjo podprto s teoretičnimi raziskavami. Osnova za to aplikativno usmerjeno osnovno raziskavo je bila kombinacija dosežene nanostrukturne matrice z vodenim uvajanjem težkih redkih zemelj na meje med zrni in ne v sama zrna. V smislu premika mej ima ta projekt tudi zelo visok znanstveni pomen. Raziskave na področju plastovezanih trajnih magnetov na osnovi redkih zemelj in elementov prehoda so obtičale. Izjemen prodor so v zadnjih letih dosegle le raziskave na Japonskem vendar na področju sintranih magnetov. Inovativne ideje predlaganega projekta, so omogočile zelo močno izboljšane lastnosti tako na področju sintranih magnetov kot tudi plastovezanih in so rezultirale v izjemnem globalnem znanstvenem prodoru. Tematika naše raziskave je bila v tesni povezavi s tematiko mednarodnega projekta, katerega končni cilj je bila izdelava trajnih magnetov na osnovi redkih zemelj za uporabo v vetrnih elektrarnah in električnih ter hibridnih vozilih. Zaradi izjemnih razmer na trgu težkih redkih zemelj (Dy, Tb), ki so nujno potrebne za doseganje vrhunskih magnetnih lastnostih pri temperaturah med 100 in 200°C, je bil eden od ciljev raziskave zmanjšati oziroma se v celoti izogniti uporabi tega strateškega materiala ob tem pa doseči enake vrhunske lastnosti. Skupina na IJS je dosegla zmanjšanje količine potrebnega Dy oz. Tb za desetkratno vrednost. To smo dosegli s pomočjo elektroforetske depozicije. Za popolno nadomestitev težkih redkih zemelj na mejah med zrni pa smo raziskali možnost uporabe zlitin z nizkim tališčem, kot n. pr. Al-Cu, Al-Cu-Zn, Al-Cu-Si, ki bi na mejah med zrni nadomestile sedanjo fazo bogato z TRZ. Bistvo vsebnosti težke redke zemlje na mejah med zrni je ta, da z reakcijo z zrni, kjer pride do izmenjave Nd z Dy dosežemo zelo tanko plast na površini zrn (jedro-lupina), ki lokalno zvišuje polje anizotropije ne vpliva pa na notranjost zrn in zato ne pride do izmenjalne sklopitve, ki sicer zmanjšuje remanentno magnetizacijo. Pomanjkljivost dodajanja TRZ v osnovno magnetno spojine je namreč v tem, da pride do antiferomagnetne sklopitve Dy oz. Tb z Fe v rešetki RE2Fe14B kar vodi k opaznemu znižanju nasičene magnetizacije in s tem remanence. Ta pa je prav tako bistvenega pomena za visokoenergijske magnete. Vse cilje raziskave smo v celoti izpolnili, postopek patentirali, objavili članke v mednarodnih revijah z IF nad povprečjem področja, imeli vabljena predavanja na mednarodnih konferencah. Dve publikaciji sta še v tisku.
Pomen za razvoj Slovenije
Močna ekonomija je najboljša promocija katerekoli države in novi sintrani in plastovezani trajni magneti na osnovi redkih zemelj in elementov prehoda z vrhunskimi lastnostmi in nova tehnologija na tem področju bosta zagotovo močno prispevala k prepoznanju slovenske znanosti in ekonomije. Istočasno pa se bodo odprle nove možnosti za slovensko ekonomsko in izobraževalno področje. Posredni pomen projekta za družbo je v prihranku energije in čistejšemu okolju, dolgoročno pa bo njegov prispevek v bistveno zvišani kvaliteti okolja in življenja. Akutno stanje na področju fosilnih goriv pomeni zelo močan izziv pri prehodu na hibridna in električna vozila katerih najpomembnejši del pa so prav magneti na osnovi redkih zemelj in elementov prehoda. Ti magneti so prav tako pomembni tudi za vetrne elektrarne. Okolju prijazna vozila, ekološko pridobivanje elektrike predstavlja izziv najbližje prihodnosti in Slovenija z vrhunskim raziskovalnim potencialom in zelo močnim industrijskim potencialom prav na tem področju lahko postane eden najpomembnejših evropskih in tudi svetovnih akterjev.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Letno poročilo
2011,
2012,
2013,
zaključno poročilo,
celotno poročilo na dLib.si
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Letno poročilo
2011,
2012,
2013,
zaključno poročilo,
celotno poročilo na dLib.si
