Breve historia de los materiales magnéticos blandos

Desde que Michael Faraday demostró la inducción electromagnética en 1831, ha habido una evolución continua de los materiales magnéticos blandos. La elección natural de Faraday como material central fue el hierro, que tiene la temperatura ambiente más alta M_sde cualquier elemento además de un gran μ_r, y H bastante bajo_c. Sin embargo, incluso en un material simple compuesto por un solo elemento se podían realizar mejoras considerables.

Se descubrió que el recocido del hierro no sólo mejoraba sus propiedades mecánicas sino que también disminuía su coercitividad mediante el alivio de tensiones, lo que lo hacía más adecuado para su uso en aplicaciones inductivas. En busca de un rendimiento aún mejor, los científicos e ingenieros buscaron formas de mejorar las propiedades del hierro dulce.

En 1900, Robert Hadfield, un metalúrgico de Inglaterra, inventó el acero al silicio no orientado agregando hasta un 3% de silicio al hierro y aumentando su resistividad eléctrica (p) al mismo tiempo que aumentaba μ._r. El metalúrgico estadounidense Norman Goss inventó el acero al silicio de grano orientado en 1933 promoviendo el crecimiento del grano a lo largo de una dirección cristalina de baja anisotropía, aumentando μ_r, Aún más . Incluso hoy en día, los aceros al silicio (o eléctricos) representan una parte importante del mercado mundial de imanes blandos debido a su alto M._sy costo relativamente bajo.

Las aplicaciones más comunes del acero al silicio son transformadores a gran escala (acero al silicio de grano orientado) y máquinas eléctricas (se prefiere el acero al silicio isotrópico no orientado para las máquinas rotativas), donde su precio económico es un gran beneficio.

Sin embargo, un bajo(-, 0.5 μohm.m) hace que los aceros al silicio tengan pérdidas a alta frecuencia. Recientemente, los fabricantes de acero eléctrico han desarrollado una forma de aumentar el contenido de silicio de su acero al 6,5 % mediante un proceso de deposición química de vapor (CVD). Este enfoque aumentaa 0.82 μΩ.m, pero aún deja otros materiales como mejores opciones para la electrónica de potencia de alta frecuencia y las máquinas eléctricas de alta velocidad de rotación.

En la década de 1910, Gustav Elmen en los Laboratorios Bell experimentó con aleaciones de níquel-hierro y descubrió la composición de aleación permanente rica en níquel (78%). Una ventaja importante de la aleación permanente es su alto μ_r, (hasta 100,000). Las aleaciones de níquel-hierro todavía se utilizan en algunas aplicaciones inductivas especializadas en la actualidad, pero no son comunes en la electrónica de potencia y las máquinas eléctricas porque tienen altas pérdidas por corrientes parásitas y la adición de níquel disminuye M._s. Con la adición de una pequeña cantidad de molibdeno (2%) a la aleación permanente, se puede producir polvo de molibdeno (MPP). MPP se utiliza para fabricar los núcleos de polvo de menor pérdida.

A finales de la década de 1940, JL Snoek inventó las ferritas magnéticamente blandas. Estos materiales son competitivos debido a sus resistividades eléctricas muy altas (10 - 10⁸μohm.m), lo que los hace eficaces para suprimir las pérdidas por corrientes parásitas.

Además, debido a que se producen con técnicas de procesamiento cerámico y abundantes materiales, las piezas de ferrita se pueden producir a un costo muy bajo. La altura

y la asequibilidad de las ferritas blandas mantiene la alta demanda de estos materiales para aplicaciones inductivas, incluidas aquellas de alta frecuencia. De hecho, su participación en el mercado mundial de imanes blandos ocupa el segundo lugar después del acero al silicio. Sufren de una M relativamente baja_s. (casi una cuarta parte de la del acero al silicio), lo que limita la densidad de energía de los elementos inductivos que contienen un núcleo de ferrita.

En 1967 se inventó una nueva clase de materiales, las aleaciones amorfas. A mediados de la década de 1970, el interés por las aleaciones amorfas a base de hierro y cobalto estaba aumentando y comenzaron a encontrar su camino hacia las aplicaciones. Mediante la eliminación de cualquier orden de largo alcance, la coercitividad se reduce sustancialmente en estas aleaciones.

En 1988, los investigadores de Hitachi incluyeron aditivos de Nb y Cu y agregaron un paso de recocido a la producción de aleaciones amorfas para producir cristalitos de hierro o cobalto pequeños y muy espaciados (del orden de 10 nm de diámetro) dentro de una matriz de material amorfo. Este fue el origen de las aleaciones magnéticas blandas nanocristalinas. La formación de cristalitos aislados de metales de transición redujo las pérdidas por corrientes parásitas de estos materiales en comparación con las aleaciones amorfas. Actualmente, tanto las aleaciones amorfas como las nanocristalinas están ganando participación de mercado en la electrónica de potencia de alta frecuencia y en las máquinas eléctricas debido a sus bajas pérdidas y su M competitivo._s.

A pesar de un costo inicial más alto que el acero al silicio, estas aleaciones avanzadas pueden reducir los costos totales de vida útil de la electrónica de potencia y las máquinas eléctricas, gracias a la reducción de las pérdidas.

A principios de la década de 1990, los núcleos de polvo (también conocidos como compuestos magnéticos blandos o SMC) ganaron aceptación en algunas aplicaciones magnéticas blandas. Estos materiales combinan partículas magnéticas, de aproximadamente 1 a 500 g de diámetro, y las recubren o mezclan con un material aislante antes de consolidarse con altas presiones (de MPa a incluso GPa).

También se puede aplicar calor durante o después de la densificación para mejorar las propiedades magnéticas. Las partículas magnéticas suelen ser polvos de Fe, pero también pueden consistir en aleaciones como MPP (mencionada anteriormente), Fe-P, Fe-Si o Fe-Co. Debido a la fase de matriz aislante y no magnética, estos materiales tienen un espacio de aire distribuido que limita su μ_ra un rango de 100 a 500. Sin embargo, la matriz aislante también aumenta su

(10^-3a 10^-1µohm•m), reduciendo las pérdidas por corrientes parásitas.

Los SMC también se pueden prensar para obtener geometrías finales más complejas sin necesidad de mecanizado (conformación de red), lo que puede reducir sustancialmente los costos de fabricación. Su naturaleza isotrópica, su bajo costo y su capacidad para dar forma a piezas complejas han hecho que los SMC tengan bastante éxito en máquinas eléctricas rotativas.

La breve historia de los materiales magnéticos blandos descrita anteriormente no es en modo alguno exhaustiva. En cambio, nuestra intención es centrarnos en materiales que han sido y seguirán siendo competitivos para la fabricación de componentes magnéticos blandos en máquinas eléctricas y electrónica de potencia de alta frecuencia. Métricas de rendimiento como M_sy la pérdida del núcleo son extremadamente importantes. Sin embargo, debido a que será necesario utilizar piezas magnéticas blandas en grandes cantidades, no se puede descuidar la importancia del costo. Por esta razón, las ferritas blandas siguen siendo un material central competitivo en alta frecuencia. Debido a su excelente rendimiento a alta frecuencia, las aleaciones amorfas y nanocristalinas seguramente seguirán siendo materiales clave. Aunque los aceros al silicio todavía constituyen la mayor parte del mercado mundial de materiales magnéticos blandos, sus aplicaciones principales se encuentran en grandes transformadores que funcionan a 50 o 60 Hz y máquinas eléctricas de baja velocidad de rotación.