Results in brief for public communication
A soft magnetic composite material consists of a ferromagnetic phase (usually Fe particles) embedded in an electrically insulating matrix. Recently, a new concept for designing soft magnetic composites (SMCs) was developed using ferromagnetic fibres instead of powders, i.e. Fibres-based Soft Magnetic Composites (FSMCs). This change leads to a significant enhancement of the electromagnetic properties of classic SMCs and is the central point of our research. A novel sintering technique called the cold sintering process (CS) has been recently developed (2016) for consolidating ceramic powders at temperatures generally below 350 °C. The CS technique stands out as an ultra-low energy sintering method with a low carbon footprint, making it an environmentally friendly option for materials consolidation.
The cold sintering process was successfully used for the first time to prepare Fibres Based Soft Magnetic Composites (FSMCs). Amorphous Fe-based and Co-based amorphous fibres were used as the ferromagnetic phase. The fibres were coated with ZnO or BaTiO3 via hydrothermal or thermal evaporation techniques. For phases 2 and 3 of the project, two completely new and innovative techniques were developed (CS in autoclave with the samples inside of a vacuumed bag and hybrid CS/SPS with the sample immersed in graphite powder) that allowed us to prepare magnetic cores with outstanding magnetic characteristics.
In the development of a magnetic core, our goal is to minimize total losses and coercive field while maximizing initial and relative magnetic permeability, as well as saturation induction. By achieving these objectives, we enhance the efficiency of electric energy usage and enable the miniaturization of electric devices.
The lower value of total core losses reported for a compact prepared in this research is more than 24 times lower as compared to the lowest value reported for a cold sintered magnetic composite measured in identical conditions (measured at 10 k Hz and induction of 0.1 T). The initial relative permeability is about 6.5 times larger than the larger reported value. The lower value for the coercive field reported in this study is more than 390 times lower than the lowest value reported. The largest maximum relative permeability is about 110 times larger than the largest value reported.
Such materials could be easily integrated into modern devices (such as civil or military drones) as magnetic cores for small electrical transformers or electric motors.
Prezentarea succintă a rezultatelor pentru comunicare publică
Un material compozit magnetic moale constă dintr-o fază feromagnetică (în mod obiÈ™nuit particule de Fe) înglobată într-o matrice izolatoare electric. Recent, a fost dezvoltat un nou concept pentru realizarea compozitelor magnetice moi (SMCs) folosind fibre feromagnetice în loc de pulberi, adică Compozite Magnetice Moi pe bază de Fibre (FSMCs). Această schimbare duce la o îmbunătățire semnificativă a proprietăților electromagnetice ale SMC-urilor clasice È™i reprezintă punctul central al cercetării noastre. O tehnică nouă de sinterizare numită sinterizare la rece (CS) a fost dezvoltată recent (2016) pentru consolidarea pulberilor ceramice la temperaturi sub 350 °C. Tehnica CS se remarcă ca o metodă de sinterizare cu energie ultrascăzută È™i cu o amprentă de carbon redusă, făcând-o o opÈ›iune prietenoasă cu mediul pentru consolidarea materialelor ceramice.
Procesul de sinterizare la rece a fost utilizat cu succes pentru prima dată pentru realizarea compozitelor magnetice moi pe bază de fibre (FSMCs). Fibre amorfe cu baza Fe È™i cu baza Co au fost folosite ca fază feromagnetică. Fibrele au fost acoperite cu ZnO sau BaTiO3 prin tehnica hidrotermală sau prin evaporare termică. Pentru fazele 2 È™i 3 ale proiectului, au fost dezvoltate două tehnici complet noi È™i inovatoare de sinterizare la rece (CS în autoclavă È™i o tehnica hibrida sinterizare la rece + sinterizare în plasmă) care ne-au permis să elaboram miezuri magnetice cu caracteristici magnetice remarcabile.
În etapa de dezvoltare a unui miez magnetic, obiectivul nostru este să minimizăm pierderile magnetice totale È™i câmpul coercitiv, în timp ce maximizăm permeabilitatea magnetică iniÈ›ială È™i maximă, precum È™i inducÈ›ia la saturaÈ›ie. Prin atingerea acestor obiective, îmbunătățim eficienÈ›a utilizării energiei electrice È™i permitem miniaturizarea dispozitivelor electrice.
Valoarea cea mai mică a pierderilor magnetice totale raportată pentru un miez magnetic elaborat în această cercetare este de peste 24 de ori mai mică în comparaÈ›ie cu cea mai mică valoare raportată pentru un compozit magnetic sinterizat la rece ÅŸi măsurat în condiÈ›ii identice (măsurat la 10 kHz È™i inducÈ›ie de 0,1 T). Permeabilitatea relativă iniÈ›ială este de aproximativ 6,5 ori mai mare decât cea mai mare valoare raportată. Valoarea cea mai mică pentru câmpul coercitiv raportat în acest studiu este de peste 390 de ori mai mică decât cea mai mică valoare raportată. Cea mai mare permeabilitate relativă maximă este de aproximativ 110 ori mai mare decât cea mai mare valoare raportată.
Astfel de materiale ar putea fi integrate cu uÈ™urință în dispozitive moderne (cum ar fi dronele civile sau militare) ca miezuri magnetice pentru transformatoare electrice mici sau motoare electrice.
The concept of cold sintered FSMCs
