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Científicos del Instituto Nacional de Ciencia de Materiales de Japón han logrado simular la inversión de la magnetización de imanes de Nd-Fe-B (neodimio hierro boro). La simulación fue posible utilizando modelos de elementos finitos a gran escala construidos con datos tomográficos obtenidos por microscopía electrónica.
a Adquisición de una serie de imágenes FIB-SEM para un imán Nd-Fe-B deformado en caliente (se muestra un área recortada de 0.8 × 0.8 µm2). b Procesamiento de las imágenes incluyendo segmentación 2D y la conversión de rebanadas de grano en nubes de puntos. c Generación de granos convexos 3D compactos aislados entre sí por la fase intergranular. Se hacen invisibles los límites triples, excepto en una región ampliada que muestra la malla alrededor de uno. Crédito de la imagen: Instituto Nacional de Ciencia de Materiales de Japón. Para ver la imagen en tamaño completo, haga clic aquí para acceder al artículo de estudio de acceso abierto (al momento de la publicación). Además, el comunicado de prensa ofrece otras imágenes e información simplificada.
Estas simulaciones han arrojado luz sobre las características microestructurales que obstaculizan la "coercitividad", una medida que cuantifica la resistencia de un imán a la desmagnetización en campos magnéticos opuestos. Se espera que los nuevos modelos basados en tomografía guíen hacia el desarrollo de imanes permanentes sostenibles con un rendimiento óptimo.
La producción de energía verde, el transporte eléctrico y otras industrias de alta tecnología dependen en gran medida de imanes permanentes de alto rendimiento, entre los cuales los imanes Nd-Fe-B son los más fuertes y más demandados.
Hasta ahora, la coercitividad de los imanes Nd-Fe-B industriales está muy por debajo de su límite físico. Para resolver este problema, se pueden emplear simulaciones micromagnéticas en modelos realistas de los imanes.
En esta investigación se propone un nuevo enfoque para reconstruir la microestructura real de los imanes Nd-Fe-B de grano ultrafino en modelos a gran escala.
Específicamente, los datos tomográficos de una serie de imágenes 2D obtenidas por microscopía electrónica de barrido (SEM) en combinación con un pulido consistente con haz iónico enfocado (FIB) pueden convertirse en un modelo de elementos finitos 3D de alta calidad.
Este enfoque basado en tomografía es universal y se puede aplicar a otros materiales policristalinos abordando una amplia gama de problemas de ciencia de materiales. Las simulaciones micromagnéticas en los modelos basados en tomografía reprodujeron la coercitividad de los imanes Nd-Fe-B de grano ultrafino y explicaron su mecanismo.
Se revelaron las características microestructurales relevantes para la coercitividad y la nucleación de la inversión de la magnetización. Por lo tanto, el modelo desarrollado puede considerarse como un gemelo digital de los imanes Nd-Fe-B, una representación virtual de un objeto diseñada para reflejar con precisión su física.
Los gemelos digitales propuestos de los imanes Nd-Fe-B son lo suficientemente precisos como para reproducir tanto la microestructura como las propiedades magnéticas que se pueden implementar para el problema inverso en el diseño de imanes permanentes de alto rendimiento según la demanda.
Por ejemplo, cuando los investigadores introducen las propiedades magnéticas requeridas para una aplicación específica (por ejemplo, tracción o motor de fuerza magnética variable), un proceso de investigación basado en datos con gemelos digitales integrados podrá proponer la composición óptima, condiciones de procesamiento y microestructura del imán para esa aplicación, reduciendo significativamente el tiempo de desarrollo.
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El punto de todo esto es resolver el problema de diseñar alternativas de imanes permanentes de alto rendimiento según la demanda. Este no es un problema menor. En este momento, la producción de imanes, la obtención de materias primas y el procesamiento están prácticamente controlados por completo por el Partido Comunista Chino.
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Esto convierte este tipo de trabajo en un problema de seguridad nacional para una amplia gama de naciones. Las intenciones declaradas de los comunistas no son precisamente las que construyen mejores niveles de vida, aumentan la seguridad de la humanidad o mejoran la salud, la riqueza y la seguridad de las personas en todo el planeta.
Por lo tanto, esta es una investigación crítica. Se ofrece un "agradecimiento" a este equipo de investigación y se espera más financiamiento para desarrollar mayor parte de todo lo que esta investigación puede ofrecer.
Por Brian Westenhaus vía New Energy and Fuel
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