Projetando um ímã de neodímio de alto desempenho livre de disprósio

A Fujitsu Limited anunciou hoje que, em pesquisas conjuntas com o Instituto Nacional de Ciência dos Materiais (NIMS) e a Fujitsu Laboratories Ltd., desenvolveu o maior simulador de reversal magnético do mundo, usando uma malha cobrindo mais de 300 milhões de micro-regiões.

Com base na tecnologia de simulação de reversal magnética em larga escala desenvolvida pela primeira vez em 2013, esse novo desenvolvimento oferece um algoritmo de cálculo mais rápido e um processamento paralelo maciço mais eficiente. As simulações são executadas no computador K. Além disso, utilizando essa tecnologia, a Fujitsu realizou simulações em larga escala para esclarecer a correlação entre a estrutura fina dos ímãs de neodímio, um tipo de ímã permanente e força magnética, examinando o processo de reversão magnética em ímãs de neodímio. Os resultados demonstraram com sucesso uma maneira de desenvolver ímãs de neodímio de alta resistência com mais que o dobro da coercividade dos ímãs anteriores, sem disprósio. Nos ímãs convencionais de neodímio, a liga do disprósio é indispensável para aumentar a coercividade magnética. Essas técnicas de simulação oferecem uma regra de design claro para ímãs de neodímio de alto desempenho que não dependem do disprósio. A Fujitsu e o NIMS farão uma apresentação conjunta sobre esses resultados na 13ª Conferência Conjunta MMM-In-Intermag, em 11 a 15 de janeiro de 2016, em San Diego, Califórnia.

Nos últimos anos, o crescente impulso para a conservação de energia chamou a atenção para melhorar a eficiência de motores e geradores que usam materiais magnéticos. Atualmente, os elementos de neodímio e disprósio são indispensáveis ​​para fabricar ímãs permanentes baseados em ferro de alto desempenho para essas aplicações. No entanto, como recurso natural, o disprósio é de apenas 10% tão comum quanto o do neodímio, o que pode criar problemas com relação à oferta estável. É por isso que há uma grande necessidade de desenvolver fortes ímãs de neodímio sem disprósio.

Sobre a simulação

Em 2013, a Fujitsu e o NIMS desenvolveram em conjunto a tecnologia de simulação de reversal magnética em larga escala que usa o método de elementos finitos e micromagnéticos. A execução dessas simulações no computador K ajudou a esclarecer o mecanismo de coercividade nos ímãs de neodímio. Anteriormente, o disprósio era usado nos ímãs de neodímio para aumentar a coercividade, a força resistiva contra um campo de desmagnetização durante a operação de motores e geradores. Para desenvolver um ímã de neodímio que não use disprósio, são necessárias simulações dos processos de desmagnetização sob a presença de um campo magnético reverso. Isso, por sua vez, requer uma simulação massivamente complexa para representar o processo de reversão da magnetização, usando um modelo de um ímã de neodímio com uma malha dividida em seções de 1 nanômetro. Para esse fim, a equipe de pesquisa refinou o algoritmo computacional usado na simulação e aumentou a paralelização em um fator de aproximadamente dez a mais de 10.000, permitindo cálculos paralelos maciços eficientes. Isso permitiu aos pesquisadores desenvolver um simulador de reversal magnético usando uma malha com mais de 300 milhões de nós, ou aproximadamente 60 vezes mais do que antes.

Para este simulador, a equipe de pesquisa criou um modelo policristalino (Figura 1), no qual 27 cristais de magnet de neodímio foram magneticamente ligados e simularam o processo de reversão magnética, variando a força dos acoplamentos magnéticos entre os cristais. Isso levou à descoberta de que as alterações na força do acoplamento magnético entre os cristais na direção lateral afetam bastante o processo de reversão magnética (Figura 2), enquanto a dissociação magnética na direção perpendicular não é tão eficaz. A simulação mostrou pela primeira vez que a dissociação magnética dos cristais nas direções laterais dobra a coercividade dos ímãs de neodímio, o que poderia evitar a necessidade de disprósio. Experimentos anteriores dissociaram os grãos magnéticos na direção perpendicular, o que não resultou em coercividade suficientemente alta. Essa simulação mostra claramente que, mesmo quando os cristais são ligados verticalmente, a dissociação dos grãos na direção horizontal resulta em um aumento dramático na coercividade. Este trabalho mostrou claramente a direção em direção ao desenvolvimento de fortes ímãs de neodímio sem disprósio.

O Ministério da Educação, Cultura, Esportes, Ciência e Tecnologia, "Elements Strategy Initiative Project", realizada no NIMS no Centro de Iniciativa de Estratégia de Elementos de Materiais Magnéticos, visa desenvolver ímãs de neodímio que não requerem disprósio até 2017. Para atingir esse alvo, Fujitsu e NIMs trabalharão juntos, usando o computador K para realizar simulações enormes e contínuas que abrem caminho para desenvolver fortes ímãs de neodímio que não precisam de disprósio , contribuindo para a indústria japonesa como um todo.