NIMS har lyckats simulera magnetiseringsomkastningen av Nd-Fe-B-magneter med hjälp av storskaliga finita elementmodeller konstruerade baserat på tomografiska data erhållna med elektronmikroskopi.
Sådana simuleringar har belyst mikrostrukturella egenskaper som hindrar koercitiviteten, som kvantifierar en magnets motstånd mot avmagnetisering i motsatta magnetfält. Nya tomografibaserade modeller förväntas vägleda mot utvecklingen av hållbara permanentmagneter med ultimat prestanda.
Grön kraftgenerering, elektrisk transport och andra högteknologiska industrier är starkt beroende av högpresterande permanentmagneter, bland vilka Nd-Fe-B-magneterna är de starkaste och mest efterfrågade. Koercitiviteten hos industriella Nd-Fe-B-magneter är långt under dess fysiska gräns hittills. För att lösa detta problem kan mikromagnetiska simuleringar på realistiska modeller av magneterna användas.
En ny metod för att rekonstruera den verkliga mikrostrukturen hos ultrafinkorniga Nd-Fe-B-magneter i storskaliga modeller föreslås i denna forskning, nu publicerad i tidskriften npj Computational Materials .
Specifikt kan tomografiska data från en serie 2D-bilder erhållna genom svepelektronmikroskopi (SEM) i kombination med konsekvent fokuserad jonstråle (FIB)-polering omvandlas till en högkvalitativ 3D-finita element-modell.
Detta tomografibaserade tillvägagångssätt är universellt och kan tillämpas på andra polykristallina material som tar itu med ett brett spektrum av materialvetenskapliga problem.
Mikromagnetiska simuleringar på de tomografibaserade modellerna reproducerade koercitiviteten hos ultrafinkorniga Nd-Fe-B-magneter och förklarade dess mekanism. De mikrostrukturella egenskaperna som är relevanta för koercitiviteten och kärnbildningen av magnetiseringsomkastning avslöjades.
Således kan den utvecklade modellen betraktas som en digital tvilling av Nd-Fe-B-magneter – en virtuell representation av ett objekt utformat för att reflektera dess fysik korrekt.
De föreslagna digitala tvillingarna av Nd-Fe-B-magneterna är tillräckligt exakta för att återge både mikrostrukturen och magnetiska egenskaper som kan implementeras för det omvända problemet med att designa on-demand högpresterande permanentmagneter.
Till exempel, när forskare matar in de magnetiska egenskaper som krävs för en specifik tillämpning (t.ex. dragkraft eller motor med variabel magnetisk kraft), kommer en datadriven forskningspipeline med integrerade digitala tvillingar att kunna föreslå den optimala sammansättningen, bearbetningsförhållandena och mikrostrukturen för magneten för den applikationen, vilket avsevärt minskar utvecklingstiden.
Mer information: Anton Bolyachkin et al, Tomografi-baserad digital tvilling av Nd-Fe-B permanentmagneter, npj Computational Materials (2024). DOI:10.1038/s41524-024-01218-5
Tillhandahålls av National Institute for Materials Science
