MATERIAIS NANOCRISTALINOS E SUAS APLICAÇÕES NA ELETROELETRÔNICA. Resumo

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1 MATERIAIS NANOCRISTALINOS E SUAS APLICAÇÕES NA ELETROELETRÔNICA Luciano, B. A. (1) e Kiminami, C. S. (2) (1) Universidade Federal da Paraíba, Departamento de Engenharia Elétrica (2) Universidade Federal de São Carlos, Departamento de Engenharia de Materiais Resumo Nas últimas três décadas, as pesquisas e o desenvolvimento das ligas amorfas, à base de ferro, níquel e cobalto, assim como das ligas nanocristalinas, obtidas mediante tratamento térmicos de cristalização em fitas amorfas ricas em ferro, têm propiciado diversas aplicações destes materiais em equipamentos eletroeletrônicos. Neste trabalho apresenta-se uma revisão sobre os materiais nanocristalinos, a partir da primeira obtenção experimental destes materiais, por Yoshizawa e seus colaboradores, em São apresentados os principais métodos de produção de materiais nanocristalinos magneticamente moles, suas propriedades elétricas e magnéticas, como alta resistividade, indução de saturação elevada, baixa coercividade e magnetostrição zero. O conjunto destas características fazem esses materiais concorrentes dos ferrites e das ligas amorfas à base de cobalto, em aplicações eletromecânicas, na faixa de freqüência industrial, em equipamentos tais como: transformadores para fontes chaveadas, transformadores de pulso, sensores, blindagem magnética e reatores. Palavras-chaves: Materiais nanocristalinos, materiais magneticamente moles, alta permeabilidade, baixa força coerciva, aplicações eletroeletrônicas. Abstract In this paper we present a review the evolution of the nanocrystalline materials over the years, since the first experiment performed by Yoshizawa et al., in Based on the features of high saturation magnetization, high initial permeability, low core loss, high resistivity, low coercivity, zero magnetostriction, the nanocrystalline soft magnetic materials, some electromagnetic devices applications such as: common mode choke coils, pulse transformers, current transformers, transformers for switched-mode power supplies and permanent magnetic rotating machines have been developed. The proliferation of highefficiency electrical power loads, and their concomitant sensitivity do disturbances, has imposed stringent requirements on the power supply quality. Keywords: Nanocrystalline materials, Magnetic material, Core loss, Low coercivity force, Electrical and electronics applications. CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 34501

2 INTRODUÇÃO Como decorrência das pesquisas e desenvolvimento das ligas amorfas, uma nova classe de material magneticamente mole foi obtida e reportada por Yoshizawa e seus colaboradores, em um artigo publicado em 1988; trata-se das ligas nanocristalinas, que receberam esta denominação devido à sua estrutura de grãos da fase Fe(-Si) em escala nanométrica [1]. Baseados na observação do aprimoramento das propriedades magnéticas em filmes finos, com estrutura de grãos refinada, os citados pesquisadores desenvolveram materiais magneticamente moles, mediante tratamento térmicos de cristalização (540 C/1h) em fitas amorfas ricas em ferro, do tipo Fe-Cu-M(-Si)-B(M : Nb, Mo, Ta, W, Zr, etc), tendo como resultado propriedades magnéticas em altas freqüências comparáveis às ligas amorfas à base de cobalto, tais como: alta permeabilidade, baixa coercividade, baixa magnetostricção, estabilidade magnética e baixas perdas e densidade de fluxo magnético elevada. Neste trabalho apresenta-se uma revisão sobre os materiais nanocristalinos, a partir da primeira obtenção experimental destes materiais, por Yoshizawa e seus colaboradores, em 1988, destacando as suas aplicações na eletroeletrônica e suas contribuições para a eficiência energética, mediante a redução de perdas, incluindo os aspectos de qualidade de energia e impacto ambiental. DESENVOLVIMENTO DOS MATERIAIS NANOCRISTALINOS O desenvolvimento da estrutura nanocristalina ocorreu a partir do acréscimo de elementos químicos em ligas amorfas ricas em ferro, promovendo uma evolução de estrutura de grãos refinada. Pequenas quantidades de cobre foram adicionadas em ligas amorfas de Fe-Si-B para a nucleação dos grãos. Para evitar o crescimento exagerado destes, foram adicionados também, alternativamente, Nb, Mo, W, Ta, Zr, Hf, Ti. Estes metais de transição têm o efeito de aumentar a temperatura de cristalização das ligas, evitando o crescimento dos grãos e a deterioração das propriedades magnéticas do material [2]. No processo de produção da liga nanocristalina Fe 73, 5 Cu 1 Nb 3 Si 13, 5 B 9 (FINEMET ), obtida por Yoshizawa e seus colaboradores, o primeiro passo foi a obtenção, por solidificação rápida, de uma liga amorfa à base de Fe-Si-B, acrescida de Cu, Nb, Ta, Mo, com espessura de cerca de 20 µm. Em seguida, as fitas amorfas foram enroladas em forma de núcleos toroidais, os quais foram recozidos, sob campo magnético, obtendo-se o material nanocristalino magneticamente mole com um tamanho médio de grão de aproximadamente 10 nm [3]. Nessa etapa, as melhores propriedades magnéticas foram obtidas com a adição de nióbio, resultando na liga FINEMET, recozida a 550 C, sob campo magnético, por uma hora. A partir da liga desenvolvida por Yoshizawa, várias outras composições foram investigadas por diversos pesquisadores, sendo apresentadas em diferentes trabalhos [4, 5,6,7, 8, 9,10,11,12,13]. Atualmente, prosseguem as pesquisas e o desenvolvimento dos materiais nanocristalinos, abrindo perspectivas para diversas aplicações na eletroeletrônica, tanto como materiais magneticamente moles, quanto magneticamente duros e, mais recentemente, como meio magnético de armazenamento de informação [14]. CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 34502

3 PROPRIEDADES ELETROMAGNÉTICAS E APLICAÇÕES A grande maioria dos equipamentos eletroeletrônicos necessita de dispositivos eletromagnéticos como transformadores e indutores. Quando esses dispositivos são usados em circuitos de potência, dependendo do material magnético empregado, quanto maior a freqüência da corrente elétrica, maiores as perdas nos seus núcleos magnéticos, embora as dimensões destes possam ser reduzidas, razão pela qual utiliza-se a freqüência de 400 Hz em aviões. Na Tabela 1 são apresentadas as propriedades magnéticas de algumas ligas nanocristalinas, em comparação com algumas ligas amorfas e materiais cristalinos tradicionalmente utilizados em núcleos de dispositivos eletroeletrônicos. Tabela 1 - Propriedades magnéticas de alguns materiais magneticamente moles: Nonocristalinos (N), Amorfos (A) e Cristalinos (C) [3]. N Material (at%) Espessura (mm) B 800 (T) H c (A/m) µ r [1 khz] P nv (kw/m 3 ) P nm (kw/kg) Fe 77 Cu 0,6 Nb 2,4 Si 11 B ,45 0, Fe 76,9 Cu 0,6 Nb 2,5 Si 11 B ,45 0, Fe 77 Cu 1 Nb 2 Si 11 B ,45 1, Fe 73,5 Cu 1 Nb 3 Si 13,5 B ,24 0, Fe 85 Cu 1 Zr 5 Nb 2 B ,50 1, À base de Co 18 0,55 0, A À base de Fe 18 1,44 6, Aço 6,5wt%Si 50 1,25 31, C Ferrite Mn-Zn - 0,4 6, B 800 : Densidade de fluxo magnético (H=800 A/m) µ r : Permeabilidade relativa (H=0,05 A/m) P nv : Perdas no núcleo, por unidade de volume P nm : Perdas no núcleo, por unidade de massa O elevado valor da permeabilidade e da resistividade (135 µω.cm), baixa força coerciva, boa estabilidade térmica e indução de saturação superior a 1,20 T, conferem às ligas nanocristalinas diferentes possibilidades de aplicações em dispositivos eletroeletrônicos, tais como: núcleos enrolados para atenuação de interferência eletromagnética, transformadores de pulso, componentes para fontes chaveadas, conversores de freqüência para acionamento de máquinas elétricas, indutores, sensores, reatores saturáveis, transformadores para altas freqüências e cabeçotes magnéticos [15,16]. Bobinas choke de modo comum Ultimamente, tem sido crescente as exigências relativas à proteção de equipamentos eletrônicos contra a interferência eletromagnética, sobretudo porque esses equipamentos passaram a fazer parte do nosso cotidiano. Dentre os componentes utilizados para essa finalidade, destacam-se as bobinas choke de modo comum, utilizadas para proteger esses equipamentos contra pulsos de tensão em altas freqüências. Essas bobinas funcionam como indutores, cuja finalidade é atenuar, de forma proporcional, os pulsos de altas freqüências. CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 34503

4 Tradicionalmente, as bobinas choke de modo comum têm sido construídas com núcleos de ferrites MnZn. Entretanto, Naitoh et al. [17], realizando estudos experimentais, demostraram que o núcleo de liga nanocristalina NANOPERM (Fe 88 Zr 7 B 4 Cu) apresenta um desempenho superior ao núcleo de ferrite MnZn, em termos de atenuação, na faixa de freqüência de 0,3 a 20 MHz, que compreende a faixa de operação das fontes chaveadas. Transformadores de pulso Os transformadores de pulso são utilizados para isolar, eletricamente, os terminais de equipamentos RDSI (Rede Digital de Serviços Integrados). Nesta aplicação particular, a figura de mérito preponderante no projeto desses transformadores é a miniaturização. Com o emprego de materiais nanocristalinos de alta permeabilidade, em substituição aos núcleos de ferrite MnZn, têm sido desenvolvidos transformadores de pulso muito menores, posto que a permeabilidade relativa dos materiais nanocristalinos são, em geral, superior à permeabilidade do ferrite, além de possuir maior estabilidade com relação às mudanças de temperatura. Transformadores de corrente (TC s) Os transformadores de corrente são transformadores para instrumentos, projetados e construídos especificamente para alimentarem instrumentos elétricos de medição, controle ou proteção. O material magnético do núcleo dos TC s para medição deve possuir elevada permeabilidade magnética (pequena corrente de excitação, pequenas perdas específicas, baixa relutância) quando submetido às baixas induções magnéticas de uso (cerca de 0,1 T), entrando em saturação logo que a indução magnética atinja 0,4 a 0,5 T, o que corresponde à corrente primária crescer para cerca de quatro vezes o seu valor nominal. Por outro lado, o núcleo dos TC s para proteção deve ser feito com material magnético de elevado valor de indução de saturação, correspondente a uma elevação na corrente primária de cerca de 20 vezes o seu valor nominal. Portanto, na escolha de um material magnético para uso em núcleos de TC s, as figuras de mérito mais importantes são a elevada permeabilidade magnética e o elevado valor da indução de saturação. Transformadores para fontes chaveadas Uma das partes importantes dos equipamentos eletroeletrônicos é a sua fonte de alimentação. Tradicionalmente, elas usavam a energia fornecida pela rede elétrica na freqüência de 50 ou 60 Hz, fazendo com que esses equipamentos ficassem grandes, pesados e encarecendo os seus custos. Uma alternativa a esse tipo de alimentação foi o emprego da a fonte chaveada, na qual o sinal da rede elétrica é retificado usando-se diodos de silício e o valor da tensão desejado e a regulação são conseguidos usando-se chaveamento com dispositivos semicondutores e transformadores e/ou indutores, em uma freqüência bem mais elevada (dezenas de khz) do que a da rede. Dessa forma, os transformadores (e/ou indutores) podem ter dimensões bem menores, reduzindo assim peso, tamanho e custo. CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 34504

5 Além disso, o rendimento das fontes chaveadas é bem maior do que o rendimento das fontes lineares. Ultimamente, os núcleos dos transformadores para fontes chaveadas, na faixa de 100 a 1000 W, que tradicionalmente eram de ferrite, estão sendo substituídos por núcleos ligas amorfas à base de cobalto e mais recentemente por material nanocristalino. No projeto de fontes chaveadas que usem freqüência elevada, a redução do peso e do volume do transformador depende essencialmente do tipo de material ferromagnético utilizado no núcleo. Nesse uso particular, o emprego de material nanocristalino, em substituição aos materiais magnéticos tradicionais, pode ocasionar não apenas a redução de volume e peso, como também a redução de perdas [15]. Máquinas a ímã permanente Até recentemente, existiam três classes de ímãs permanentes utilizados máquinas elétricas: os alnicos (Al, Ni, Co, Fe), os cerâmicos (ferrites de bário e ferrites de estrôncio), os terras raras (SmCo e NdFeB). Atualmente, entretanto, com o substituição do Zr por Nd nas ligas nanocristalinas Fe 90 M 7 B 13 foram obtidas novos ímãs permanentes, com propriedades magnéticas competitivas com relação às três classes de ímãs supra citadas, conforme pode ser observado na Tabela 2. Tabela 2 Propriedades dos ímãs nanocristalinos NdFeB com alta concentração de ferro face às propriedade dos ímãs permanentes convencionais [18]. Ímãs permanentes B r (T) H c (ka/m) (BH)max (kj/m 3 ) Fe 89 Nd 7 B 4 Nanocristalino 1, Ferrite 0, Alnico 0, SmCo 5 0, SmCo 17 1, Nd 2 Fe 14 B 1, Conforme pode ser observado na Tabela 2, o valor da indução residual do ímã Fe 89 Nd 7 B 4 nanocristalino é elevado, o que implica na redução do peso e do volume do material magneticamente mole a ser empregado no circuito magnético, conforme pode-se depreender da equação 1: P a = S / k ff k u jk e B max J (1) na qual: P a é o produto da área disponível na janela do núcleo pela área da seção transversal do mesmo; S é a potência aparente, produto da tensão (V) pela corrente (I); k ff é o fator de forma (igual a 4,4 para forma de onda senoidal e 4,0 para forma de onda retangular); k u j é a área da janela do núcleo ocupada efetivamente por condutores; k e é a fração transversal do núcleo efetivamente ocupada por material magnético; B max é o valor máximo da indução magnética e J é a densidade de corrente elétrica. CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 34505

6 Como nas aplicações práticas o volume V ocupado pelos ímãs permanentes nas máquinas elétricas é inversamente proporcional o produto de energia BH max, conforme a equação 2: V = µ 0 V 0 H 0 2 / BH max (2) na qual µ 0 é a permeabilidade magnética do entreferro; V 0 é o volume de ar no entreferro; e H 0 é a intensidade de campo magnético no entreferro, pode-se afirmar que o ímã Fe 89 Nd 7 B 4 nanocristalino compete com o SmCo 5. REDUÇÃO DE PERDAS O material magneticamente mole ideal deveria ter permeabilidade magnética e resistividade elétrica infinitas, força coerciva nula, imunidade à corrosão, baixo peso e baixo custo. Entretanto, na prática, dispor de um material que atenda, simultaneamente, a tais requisitos é muito difícil. Quando um dispositivo eletromagnético está ligado, ocorrem perdas de energia no material ferromagnético do núcleo, que se manifestam sob a forma de calor e de ruído audível. A origem destas perdas está no processo irreversível de magnetização e desmagnetização dos momentos magnéticos intrínsecos do material, imposto pela variação do campo magnético externo. Para efeito de análise, as perdas magnéticas totais nos materiais magneticamente moles podem ser separadas em três componentes: histerese, correntes parasitas e perdas anômalas. Estas perdas estão intimamente ligadas à eficiência energética dos equipamentos eletroletrônicos e buscar uma maneira de como reduzi-las passa a ser uma tarefa de engenheiros eletricistas e pesquisadores da área de materiais. Para redução das perdas por histerese, a solução é o emprego de materiais magnéticos que apresentem um laço de histerese estreito, o que significa: (a) alta permeabilidade, µ = B/H ; (b) baixa força coerciva (H c ) e relação Br/Bs próxima da unidade. No que diz respeito à redução das perdas por correntes parasitas, a solução é o emprego lâminas ou fitas de materiais ferromagnéticos de alta resistividade, o mais finas possíveis, posto que tais perdas variam com o inverso da resistividade e são diretamente proporcionais ao quadrado da espessura. A adição de silício aumenta a resistividade, diminuindo assim as perdas por correntes parasitas nos núcleos ferromagnéticos. Quanto às perdas anômalas, estas são atribuídas às microcorrentes localizadas nas paredes dos domínios, durante o processo cíclico de magnetização, sendo diretamente proporcionais à freqüência e à largura do domínio magnético. Em síntese, os principais fatores que afetam as perdas nos materiais ferromagnéticos são: a adição de silício, impurezas, tamanho de grão, textura e espessura. Nos processos convencionais, as ligas de FeSi são produzidas mediante etapas de laminação a quente (GNO) e laminação a frio (GO), além de recozimento em alta temperatura. Entretanto, a grande fragilidade observada nas ligas ferrocristalinas de alto teor de silício, tem limitado a exploração de composição em torno de 6,5% em massa de silício. Por outro lado, com o desenvolvimento da tecnologia de solidificação rápida, ao eliminar etapas de laminação, tornou-se possível a obtenção de novos materiais CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 34506

7 ferromagnéticos com teores mais elevados de silício e baixas perdas magnéticas, a exemplo das ligas amorfas e dos materiais nanocristalinos. As baixas perdas magnéticas atribuídas a esses materiais são resultantes, basicamente, de três fatores: (1) a homogeneidade microestrutural, que gera uma baixa anisotropia magnética; (2) a composição química, posto que o alto teor de metalóides e a desordem estrutural contribuem para o aumento da resistividade; e (3) ao fato de as ligas amorfas, assim como as ligas nanocristalinas, serem produzidas em espessuras muito reduzidas, conforme apresentado na Tabela 1. As espessuras reduzidas das ligas amorfas e as ligas nanocristalinas, impõe dificuldades práticas durante a montagem eletromecânica dos núcleos, o que implica numa abordagem específica para a definição do projeto e cuidados especiais no manuseio das mesmas durante a montagem. O uso de luvas, para evitar a oxidação acelerada do material amorfo, e a precaução com respeito à aplicação de esforços mecânicos que venham a comprometer as propriedades magnéticas do material do núcleo, são exemplos de alguns desses cuidados. Neste particular, é altamente recomendável o encapsulamento do núcleo para que o mesmo possa absorver tensões mecânicas externas, sem que isto implique em dificuldades de dissipação térmica das inevitáveis perdas associadas ao processo de conversão de energia. EFICIÊNCIA ENERGÉTICA E QUALIDADE DE ENERGIA As pesquisas e o desenvolvimento de novas tecnologias voltadas à eficiência energética estão diretamente relacionadas com a redução das perdas. Nos sistemas elétricos, a eficiência energética envolve um conjunto de práticas e políticas que têm por objetivo a redução dos custos e consumo com energia e/ou aumento da quantidade de energia oferecida, sem alteração na geração, integrando ações de gerenciamento pelo lado da oferta e pelo lado da demanda. Com a 1ª crise do petróleo, em 1973, desencadeou-se a busca por novos materiais que diminuíssem as perdas e consequentemente aumentasse a eficiência energética de máquinas e dispositivos eletroletrônicos. Desde então, os pesquisadores foram levados a estudar novos materiais, comparando-os entre si, no que diz respeito aos seus desempenhos. Atualmente, os transformadores e as máquinas elétricas convencionais, instalados nos sistemas elétricos, são compostos de núcleos de ferro-silício e enrolamentos de cobre ou alumínio. Isto representa uma tecnologia consolidada, restando como alternativa para a melhoria da eficiência energética destes equipamentos a substituição dos materiais convencionais por outros que apresentem perdas específicas menores. O emprego de materiais magnéticos de baixas perdas ativas (W/kg) e reativas (VA/kg) têm propiciado o desenvolvimento de equipamentos eletroeletrônicos de alta eficiência, mas que concomitantemente são altamente sensíveis aos distúrbios causados por problemas de qualidade de energia. Segundo Abreu et alli [19], problema de qualidade de energia é qualquer distúrbio ou ocorrência manifestada nos níveis de tensão e/ou nas formas de ondas de tensão ou corrente que possam resultar em insuficiência, má operação, falha ou defeito permanente em equipamentos de um sistema elétrico. Essas condições de operação mais exigentes se relacionam com o crescente nível de contaminação harmônica nos sinais de tensões e CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 34507

8 correntes, produzidos por cargas não lineares, e afetam diretamente a qualidade da energia elétrica fornecida aos usuários. Idealmente, as tensões de suprimento dos sistemas elétricos deveriam ser perfeitamente equilibradas, senoidais, com amplitude e freqüência constante. Os processos de conversão de energia deveriam ocorrer sem perdas, o que significaria rendimento máximo (100%) associado à máxima qualidade de energia. Entretanto, na prática, nem sempre a busca pela eficiência energética, decorrente da redução de perdas, pode ser sinônimo de qualidade de energia. Nos últimos anos, tem sido crescente a introdução de cargas não-lineares nos sistemas elétricos, com reflexos diretos na qualidade de energia elétrica. Essas cargas, em geral, são responsáveis pela introdução de componentes harmônicas que podem chegar a comprometer as características de fornecimento de energia, podendo ocasionar interrupções, o funcionamento inadequado de equipamentos ou a interrupção de processos de produção industrial. Portanto, o desafio consiste em compatibilizar eficiência energética e qualidade de energia, reduzindo perdas, sem introduzir distúrbios no sistema elétrico de alimentação. CONCLUSÕES A combinação das excelentes propriedades magnéticas, elétricas, térmicas e mecânicas fazem dos materiais nanocristalinos concorrentes das ligas permalloys, ferrites e ligas amorfas à base de níquel e cobalto, em diversas aplicações na eletroeletrônica, nas quais a eficiência seja a figura de mérito preponderante. Efetivamente, os materiais nanocristalinos se caracterizam como materiais magneticamente moles de alta eficiência energética, podendo ainda ser utilizados como ímãs permanentes e como materiais magneticamente intermediários. Entretanto, o emprego extensivo desses materiais precisa ser avaliado mais detalhadamente sob dois aspectos: qualidade de energia e impacto ambiental. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] YOSHIZAWA, Y.; OGUMA, S.; YAMAUCHI, K. New Fe-based soft magnetic alloys composed of ultrafine grain structure. Journal of Applied Physics 64, pp , [2] EMURA, M. Anisotropia induzida e perdas magnéticas em ligas amorfas e nanocristalinas. Dissertação de Mestrado - Departamento de Física dos Materiais e Mecânica do IF/USP, São Paulo, [3] YOSHIZAWA, Y. Magnetic properties and microstructure of nanocrystalline Fe-based alloys. Materials Science Forum, Vol. 307, pp.51-62,1999. [4] HERZER, G. Grain structure and magnetism of nanocrystalline ferromagnets. IEEE Trans. Mag. 25, pp , [5] SUZUKI, K.; KATAOKA, A.; INOUE, A.; MAKINO, A. and MASUMOTO, T. High saturation magnetization and soft magnetic properties of bcc Fe-Zr-B alloys with ultrafine grain structure. Mater. Trans. JIM, vol. 31, pp , August CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 34508

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