Cientistas simulam a reversão da magnetização de ímãs Nd-Fe-B usando modelos de elementos finitos em grande escala
Desenvolvimento de modelo baseado em tomografia. a Aquisição de uma série de imagens FIB-SEM para um ímã Nd-Fe-B deformado a quente. b Processamento das imagens incluindo segmentação 2D e conversão de fatias de grãos em nuvens de pontos. c Geração de grãos convexos 3D compactados, isolados uns dos outros pela fase intergranular. As junções triplas ficam invisíveis, exceto por uma região ampliada que mostra a malha ao redor de uma delas. Crédito:Materiais Computacionais npj (2024). DOI:10.1038/s41524-024-01218-5 O NIMS conseguiu simular a reversão da magnetização de ímãs Nd-Fe-B usando modelos de elementos finitos em grande escala construídos com base em dados tomográficos obtidos por microscopia eletrônica.
Tais simulações lançaram luz sobre características microestruturais que dificultam a coercividade, que quantifica a resistência de um ímã à desmagnetização em campos magnéticos opostos. Espera-se que novos modelos baseados em tomografia orientem o desenvolvimento de ímãs permanentes sustentáveis com desempenho máximo.
A geração de energia verde, o transporte elétrico e outras indústrias de alta tecnologia dependem fortemente de ímãs permanentes de alto desempenho, entre os quais os ímãs Nd-Fe-B são os mais fortes e mais procurados. A coercividade dos ímãs industriais de Nd-Fe-B está muito abaixo do seu limite físico até agora. Para resolver este problema, simulações micromagnéticas em modelos realistas dos ímãs podem ser empregadas.
Uma nova abordagem para reconstruir a microestrutura real de ímãs Nd-Fe-B de granulação ultrafina em modelos de grande escala é proposta nesta pesquisa, agora publicada na revista npj Computational Materials .
Especificamente, os dados tomográficos de uma série de imagens 2D obtidas por microscopia eletrônica de varredura (MEV) em combinação com polimento consistente de feixe de íons focados (FIB) podem ser convertidos em um modelo de elementos finitos 3D de alta qualidade.
Esta abordagem baseada em tomografia é universal e pode ser aplicada a outros materiais policristalinos, abordando uma ampla gama de problemas da ciência dos materiais.
Simulações micromagnéticas nos modelos baseados em tomografia reproduziram a coercividade de ímãs Nd-Fe-B de granulação ultrafina e explicaram seu mecanismo. As características microestruturais relevantes para a coercividade e nucleação da reversão da magnetização foram reveladas.
Assim, o modelo desenvolvido pode ser considerado como um gêmeo digital dos ímãs Nd-Fe-B – uma representação virtual de um objeto projetado para refletir sua física com precisão.
Os gêmeos digitais propostos dos ímãs Nd-Fe-B são precisos o suficiente para reproduzir tanto a microestrutura quanto as propriedades magnéticas que podem ser implementadas para o problema inverso no projeto de ímãs permanentes de alto desempenho sob demanda.
Por exemplo, quando os pesquisadores inserem as propriedades magnéticas necessárias para uma aplicação específica (por exemplo, tração ou motor de força magnética variável), um pipeline de pesquisa baseado em dados com gêmeos digitais integrados será capaz de propor a composição, condições de processamento e microestrutura ideais de o ímã para essa aplicação, reduzindo significativamente o tempo de desenvolvimento.
