Desenvolvimento de revestimento isolante de partículas ferromagnéticas obtido a partir de nanoesferas de carbono e óxido de boro para aplicação em compósitos magnéticos moles

Abstract

A eficiência energética é uma das principais bases dentro do desenvolvimento tecnológico e, dentro disso, os materiais magnéticos ganham destaque, pois novos desenvolvimentos nessa área buscam a otimização de dispositivos ligados à geração e à conversão de energia elétrica. Os compósitos magnéticos moles (Soft Magnetic Composites ? SMCs) são uma nova classe de materiais magnéticos cuja configuração visa à redução de perdas, devido à alta resistividade elétrica introduzida pelo revestimento e isolamento de partículas ferromagnéticas em um compactado. São considerados como alternativas viáveis às chapas de aço elétrico geralmente empregadas, por permitirem a condução do fluxo magnético de maneira isotrópica em três dimensões e possibilitarem a miniaturização de dispositivos, designs inovadores e aplicações mais sofisticadas. As propriedades dos SMCs são dependentes das características e propriedades da partícula ferromagnética e do revestimento isolante, bem como do processamento realizado para obtê-los. Sendo assim, o objetivo deste trabalho foi desenvolver um novo revestimento isolante elétrico para SMCs a partir de uma dupla camada, composta por nanoesferas de carbono e óxido de boro. As nanoesferas de carbono contêm compostos de oxigênio reativos em sua superfície e foram introduzidas para que, durante o tratamento térmico, formem uma camada de metal óxido sobre as partículas ferromagnéticas, a qual possui maior afinidade química com a camada vítrea de B2O3, aumentando, portanto, sua resistência térmica. Ao comparar o material desenvolvido a amostras recobertas apenas por uma das camadas de revestimento, foi verificado um efeito sinérgico e benéfico do duplo revestimento proposto, uma vez que a resistividade elétrica foi praticamente triplicada e que menores perdas totais e, principalmente, dinâmicas foram alcançadas. Além disso, foi verificado que quanto maior a concentração de nanoesferas e menor o seu diâmetro, uma melhor combinação de propriedades elétricas e magnéticas é obtida. Por fim, foi demonstrada a flexibilidade e a aplicabilidade do revestimento desenvolvido através da utilização do mesmo sobre partículas ferrosas de maior tamanho de partícula e de grão, apresentando uma aumento de 73,6 % na resistividade elétrica e redução de 12,7 % das perdas totais em 1 T e 60 Hz, com um decréscimo de 7,4 % na permeabilidade máxima a 60 Hz, quando comparada à amostra de menores tamanhos de partícula e grão.

Abstract: Energy efficiency is one of the main bases within technological development and, in this context, magnetic materials are highlighted, since new developments in this area seek to optimize devices related to the generation and conversion of electrical energy. Soft magnetic composites (SMCs) are a new class of magnetic materials whose configuration aims to reduce losses in the ferromagnetic core, due to the high electrical resistivity introduced by the coating and insulation of ferromagnetic particles in a compact. SMCs are considered as viable alternatives to electrical steel sheets generally used, as they allow the magnetic flux to be conducted isotropically in three dimensions and enable the miniaturization of devices, innovative designs and more sophisticated applications. SMCs properties are dependent on the characteristics and properties of the ferromagnetic particle and the insulating coating, as well as the processing performed to obtain them. Therefore, the objective of this work was to develop a new electrical insulating coating for SMCs with a double layer, composed of carbon nanospheres and boron oxide. The carbon nanospheres contain reactive oxygen compounds on their surface and were introduced so that, during the heat treatment, they form an oxide layer on the ferromagnetic particles, which has greater chemical affinity with the vitreous layer of B2O3, increasing its thermal resistance. Comparing the double-layer material to samples covered only by one of the coating layers, a synergistic and beneficial effect was verified, since the electrical resistivity was practically tripled and lower total and dynamic losses were obtained. In addition, it was found that the higher the concentration of carbon nanospheres and the smaller their diameter, the better combination of electrical and magnetic properties is obtained. Finally, it was demonstrated the flexibility and applicability of the coating developed by using it on ferrous particles of larger particle and grain size, showing a 73.6 % increase in electrical resistivity and a 12.7 % reduction in total losses in 1 T and 60 Hz, with a decrease of 7.4 % in the maximum permeability at 60 Hz, when compared to the sample of smaller particle and grain sizes.