Breves entrevistas com cientistas: Christian Polak (Vacuumschmelze GmbH & Co. KG, Alemanha).



Christian Polak
Christian Polak

Christian Polak interagiu pela primeira vez com Vacuumschmelze GmbH & Co quando a sua tese de doutorado sobre materiais amorfos, defendida na Universidade Técnica de Viena (TU Wien), despertou o interesse da empresa. Em 1993, ele começou a trabalhar na área de pesquisa e desenvolvimento da empresa, onde permanece.

A Vacuumschmelze iniciou suas atividades com o desenvolvimento do primeiro forno de fundição a vácuo (como sugere seu nome em alemão) há cerca de 100 anos na cidade alemã de Hanau. Hoje, a companhia é uma fabricante de materiais magnéticos avançados e produtos relacionados com mais de 4.000 funcionários localizados em dezenas de países. Esses materiais estão presentes na vida cotidiana de milhões de pessoas, fazendo parte de carros, aviões, elevadores, sistemas de energia solar e eólica, transformadores…

Rapid solidification technology.
Tecnologia de solidificação rápida.

Atualmente, Christian Polak lidera o Departamento de Tecnologia de Solidificação Rápida na empresa. Essa tecnologia permite fabricar fitas metálicas micrométricas com propriedades magnéticas superiores, processando o metal fundido em apenas uma etapa. Processos posteriores podem, ainda, transformar esses materiais de estrutura amorfa em ligas nanocristalinas (com grãos ou cristais nanométricos).

No XVII B-MRS Meeting, Polak oferecerá uma palestra plenária sobre esses materiais magnéticos nanocristalinos e suas aplicações, principalmente no segmento dos dispositivos eletrônicos miniaturizados.

Veja algumas informações que o Dr. Polak forneceu relacionadas ao assunto de sua palestra plenária.

Materiais Magnéticos Nanocristalinos

Nanocrystalline structure of VITROPERM material.
Estrutura nanocristalina do material VITROPERM.

Mais de vinte anos atrás, Yoshizawa, Oguma e Yamauchi introduziram uma nova classe de ligas à base de ferro exibindo um comportamento magnético suave (soft) superior. As propriedades foram uma combinação única de baixas perdas, alta permeabilidade e magnetostrição próxima de zero obtidas por permalloys e ligas amorfas Co-based, mas com uma magnetização de saturação até 1,2 Tesla – muito mais alta do que qualquer um desses materiais pode oferecer convencionalmente. O particular sobre o novo material é a sua microestrutura ultrafina de b.c.c. Fe-Si com tamanhos de grão de 10-15 nm a partir dos quais suas propriedades moles derivam por último. Com base nisso, essa nova classe de ligas foi denominada “nanocristalina”. O material é composto pela cristalização de uma liga de Fe-Si-B amorfa com pequenas adições de Cu e Nb. Esta composição é a chave para uma estrutura de grãos ultrafinos e as propriedades magnéticas moles associadas.

É bem conhecido que a microestrutura, visivelmente o tamanho do grão, determina essencialmente o ciclo de histerese de um material ferromagnético. No entanto, tivemos que construir uma compreensão mais profunda da coercividade (Hc) em toda a gama de comprimentos de correlação estrutural a partir de distâncias atômicas em ligas amorfas sobre tamanhos de grão (D) no regime nanométrico até tamanhos de grão macroscópico. A dependência 1 / D da coercividade para grandes tamanhos de grãos reflete a regra convencional de que boas propriedades magnéticas moles requerem grãos muito grandes (D> 100μm). Assim, a redução do tamanho das partículas para o regime da largura da parede do domínio aumenta a coercividade Hc. Por outro lado, as coercividades mais baixas são novamente encontradas para os menores comprimentos de correlação estrutural, como nas ligas amorfas e nas ligas nanocristalinas, para tamanhos de grão D <20nm. O novo material nanocristalino preenche a lacuna entre os metais amorfos e as ligas policristalinas convencionais. A combinação de tamanho de grão pequeno e propriedades magnéticas suaves é surpreendente e fascinante do ponto de vista clássico em engenharia magnética.

Papel dos Materiais Magnéticos Moles Nanocristalinos em dispositivos eletrônicos e outras aplicações:

Tape wound cores: a nanocrystalline material application.
Núcleos magnéticos: uma aplicação de materiais nanocristalinos.

O material magnético amorfo e nanocristalino, em forma de faixa, é utilizado para produzir os chamados núcleos de fita enrolada (= núcleos magnéticos). A adição de enrolamentos de cobre leva a componentes indutivos bem conhecidos para a indústria eletrônica.

A Vaccumschmelze é líder de mercado e tecnologia em muitas aplicações com anos de experiência no mercado internacional. A experiência da empresa abrange todo o processo de desenvolvimento, desde o conhecimento das características da liga até a tecnologia de fabricação e os locais de fabricação de baixo custo.

A VAC produz componentes indutivos baseados em material nanocristalino para os mercados de instalação, automotivo e industrial.

Exemplos para o mercado de instalação: Conversores de corrente total para chaves de proteção contra corrente de fuga à terra e conversores de corrente para medidores eletrônicos de energia.

Exemplos para o mercado automotivo: bobinas e transformadores para o gerenciamento de energia, antenas flexíveis para Keyless-Entry-Systems, para veículos híbridos e elétricos, sistemas de Recuperação, Start-Stop-Systems e conversores DC / DC.

Exemplos para o mercado industrial: bobinas, transformadores e sensores de potência para fontes de alimentação e retificadores. Bobinas de modo comum e núcleos nanocristalinos pavimentam o caminho para designs de filtro compactos e inovadores com a mais alta eficiência para acionamentos de motores elétricos superiores, de acordo com as mais novas regulamentações internacionais. Os transformadores de acionamento por gaveta proporcionam a mais alta segurança, excelente confiabilidade e longa vida útil para aplicações especiais (alta voltagem) combinando eficiência de transmissão de energia e sinal em um componente, resultando em custos totais mais baixos. Os sensores atuais oferecem máxima precisão.

Novos desenvolvimentos: Aplicações de alta frequência (redução de tamanho).

Vacuumschmelze é tradicionalmente um fornecedor de componentes indutivos. Componentes indutivos convencionais, como núcleos magnéticos, componentes indutivos, bobinas e transformadores, bem como antenas flexíveis, são grandes e colocados em cima dos PCBs. Todos estes produtos estabelecidos são geralmente utilizados na gama de frequência mais baixa, e. a 50Hz ou até alguns kHz.

Respondendo aos desafios futuros dos circuitos eletrônicos, nos deparamos com novos requisitos – especialmente, houve uma tendência de usar frequências mais altas e, consequentemente, a tendência para a miniaturização. Isso permite o uso de componentes incorporados, nos quais caps, semicondutores, resistores e indutâncias localizam um local dentro do PCB, respectivamente em uma camada de um PCB multicamada.

Para dar os primeiros passos nessa direção, participamos de um projeto de pesquisa conjunto chamado VISA, que foi fundado pelo Ministério Federal Alemão de Educação e Pesquisa, onde nós tivemos que melhorar nossos materiais magnéticos amorfos ou nanocristalinos para torná-los prontos para altas frequências e incorporação. Tais componentes indutivos devem ser planos, a altura máxima não deve exceder 1 mm, as perdas de ferro devem ser tão baixas quanto possível e um fator de alta qualidade na freqüência de comutação até a faixa de MHz foi solicitado. Para aplicação, estávamos focados em conversores DC / DC para a pequena faixa de potência. Além disso, esperávamos aplicações para núcleos, indutores planares, materiais de blindagem e sensores para a indústria automotiva, p. sistemas de acionamento eletrônico, para tecnologia LED de energia ou carregadores fotovoltaicos ou para aplicações de blindagem, como sistemas de carregamento sem fio.

Novos desenvolvimentos: materiais de alta saturação (redução de tamanho).

Sabe-se bem que as ligas de Fe-Cu-Nb-Si-B nanocristalinas exibem excelentes propriedades magnéticas moles (baixo campo de coercividade Hc e alta permeabilidade µ) combinadas com baixa magnetostrição (ls) e polarização de alta saturação em torno de Js ~ 1.2T. Eles são amplamente utilizados em aplicações magnéticas.

Desde a sua descoberta, uma importante força motriz para o desenvolvimento adicional de ligas tem sido aumentar a polarização de saturação para receber uma mudança de fluxo efetiva mais alta após reverter a excitação magnética. Assim, um nível mais alto de indutância poderia ser alcançado em volume simultaneamente menor. Os desenvolvimentos mais recentes são as ligas Fe-Si-B-P-Cu, que apresentam uma alta polarização de saturação em torno de Js ~ 1,8 T, bem como uma coercividade razoavelmente baixa (Hc <10 A m).

Um problema associado a estas novas ligas é que elas estão localizadas perto do limite de formação de vidro, levando a sérios problemas de produção. Demonstrou-se recentemente que as composições mais recentes investigadas nos últimos anos exibem capacidade de formação de vidro suficiente para produção em grande escala. No entanto, a magnetostrição de saturação de ligas de Fe-Si-B-P-Cu nanocristalinas ainda é relativamente alta (ls≈14 ppm). A baixa magnetostricção, no entanto, é importante para boas propriedades magnéticas e insensibilidade ao estresse do ciclo de histerese. O objetivo do desenvolvimento atual é investigar a capacidade de aplicação de tais sistemas de liga e fornecer o tão faltar comportamento das propriedades magnéticas, particularmente no estado nanocristalino.


Para mais informações sobre este palestrante e a palestra plenária que ele proferirá no XVII Encontro da SBPMat/B-MRS Meeting, clique na foto do palestrante e no título da palestra: https://www.sbpmat.org.br/17encontro/home/


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