Εισαγωγή
Οι μαγνήτες νεοδυμίου-σιδήρου-βορίου (dFeB) συγκαταλέγονται στους ισχυρότερους μόνιμους μαγνήτες και χρησιμοποιούνται ευρέως σε ηλεκτρικούς κινητήρες, γεννήτριες, αισθητήρες, ενεργοποιητές και προηγμένα εξαρτήματα για τους τομείς της αυτοκινητοβιομηχανίας, της ενέργειας και της ηλεκτρονικής [1]. Η απόδοσή τους συνδέεται στενά με τη θερμική τους σταθερότητα και με τις μετασχηματισμούς φάσεων που λαμβάνουν χώρα σε υψηλές θερμοκρασίες, γεγονός που καθιστά τον αξιόπιστο θερμικό χαρακτηρισμό απαραίτητο για την ανάπτυξη υλικών, τη διασφάλιση ποιότητας και τη βελτιστοποίηση των διαδικασιών.
Ένα σημαντικό πλεονέκτημα της ταυτόχρονης θερμικής ανάλυσης (STA) είναι ότι συνδυάζει τη θερμοβαρυτομετρία (TGA) και τη διαφορική θερμιδομετρία σάρωσης (DSC) σε ένα μόνο πείραμα υπό πανομοιότυπες συνθήκες. Αυτό επιτρέπει την άμεση σύγκριση των μεταβολών μάζας και των θερμικών φαινομένων μεταξύ τους, κάτι που είναι ιδιαίτερα χρήσιμο για σύνθετα υλικά όπως οι σκόνες μαγνητών NdFeB. Στην πράξη, αυτό σημαίνει ότι οι διεργασίες που σχετίζονται με την τήξη, τις μεταβάσεις φάσης, τα φαινόμενα αποσύνθεσης και τα φαινόμενα που σχετίζονται με την οξείδωση μπορούν να διακριθούν με μεγαλύτερη βεβαιότητα. Για τους βιομηχανικούς χρήστες, αυτό μεταφράζεται σε ταχύτερη και πιο αξιόπιστη αξιολόγηση των υλικών, λιγότερες αβεβαιότητες στην ερμηνεία των δεδομένων και ισχυρότερη βάση για την πιστοποίηση συγκεκριμένων εφαρμογών.
Πειραματικό
Το δείγμα NdFeB αναλύθηκε με τη χρήση ενός οργάνου STA της σειράς Jupiter® της εταιρείας NETZSCH. Οι μετρήσεις υποβλήθηκαν σε διόρθωση γραμμής βάσης και βαθμονομήθηκαν ως προς τη θερμοκρασία και τη ροή θερμότητας. Οι παράμετροι μέτρησης παρατίθενται στον πίνακα 1.
Πίνακας 1: Παράμετροι μέτρησης της μέτρησης STA
| Μάζα δείγματος: | ~ 15 mg |
| Χωνευτήρι: | Pt/Rh, 85 µl με επένδυσηAl2O3 και διάτρητο καπάκι |
| Φορέας δείγματος: | TG-DSCΕιδική θερμοχωρητικότητα (cp)Η θερμοχωρητικότητα είναι ένα φυσικό μέγεθος ειδικό για κάθε υλικό, το οποίο καθορίζεται από την ποσότητα θερμότητας που παρέχεται στο δείγμα, διαιρούμενη με την προκύπτουσα αύξηση της θερμοκρασίας. Η ειδική θερμοχωρητικότητα σχετίζεται με τη μονάδα μάζας του δείγματος.cp, τύπου S |
| Πρόγραμμα θερμοκρασίας: | Από θερμοκρασία δωματίου έως 1500 °C, 20 K/min |
| Ατμόσφαιρα: | Αργό, 70 ml/min |
Αποτελέσματα και Συζήτηση
Το αποτέλεσμα της μέτρησης TGA-DSC παρουσιάζεται στο Σχήμα 1. Η μάζα του δείγματος NdFeB παραμένει σταθερή σε όλο το εύρος θερμοκρασιών που μελετήθηκε, υποδηλώνοντας ότι δεν παρατηρείται σημαντική απώλεια μάζας υπό ατμόσφαιρα αργού. Αυτό αποτελεί σημαντικό αποτέλεσμα, καθώς αποδεικνύει ότι τα θερμικά φαινόμενα που παρατηρούνται στο σήμα DSC δεν σχετίζονται με μετρήσιμη υποβάθμιση του υλικού, αλλά αντανακλούν εγγενείς αλλαγές εντός του δείγματος.
Σε υψηλότερες θερμοκρασίες, η καμπύλη DSC παρουσιάζει δύο ενδοθερμικά φαινόμενα. Το πρώτο εμφανίζεται ως μια σχετικά small κορυφή με έναρξη στους 1072 °C, μέγιστο κορυφής στους 1083 °C και ενθαλπία αντίδρασης 12,25 J/g. Μια δεύτερη, μεγαλύτερη κορυφή ξεκινά στους 1145 °C και φτάνει στο μέγιστό της στους 1162 °C, με ενθαλπία αντίδρασης 180,6 J/g.
Τα αποτελέσματα της STA υποδεικνύουν ότι η μικρότερη θερμική επίδραση συνδέεται κατά πάσα πιθανότητα με έναν πρώιμο μετασχηματισμό ενός δευτερεύοντος συστατικού ή μιας δευτερεύουσας φάσης χαμηλού σημείου τήξης. Αντίθετα, η μεγαλύτερη κορυφή υποδηλώνει έναν σημαντικό μετασχηματισμό σε υψηλή θερμοκρασία, ο οποίος ενδεχομένως σχετίζεται με την τήξη ή τη μερική τήξη φάσεων εντός του συστήματος NdFeB. Αυτή η συμπεριφορά συνάδει με την πολυφασική μικροδομή των τεχνικών μαγνητών NdFeB, οι οποίοι συνήθως περιέχουν τη σκληρή μαγνητική φάσηNd₂Fe₁₄B, διακοκκικές φάσεις πλούσιες σε Nd, καθώς και πρόσθετα δευτερεύοντα συστατικά ανάλογα με τη σύνθεση του κράματος και το ιστορικό επεξεργασίας του [2].
Δεδομένου ότι αυτά τα φαινόμενα δεν συνοδεύονται από ανιχνεύσιμη απώλεια μάζας, τα δεδομένα υποστηρίζουν την ερμηνεία ότι πρόκειται για θερμικά φαινόμενα που σχετίζονται με τις φάσεις και όχι για αντιδράσεις αποσύνθεσης. Ταυτόχρονα, δεν είναι δυνατή η ακριβής ταξινόμηση των φάσεων μόνο από τα δεδομένα STA. Για την οριστική ταυτοποίηση των υποκείμενων μετασχηματισμών, συνιστώνται συμπληρωματικές τεχνικές, όπως η περίθλαση ακτίνων Χ σε υψηλή θερμοκρασία, η μεταλλογραφική ανάλυση μετά από καθορισμένη θερμική επεξεργασία ή η συσχέτιση με δεδομένα διαγράμματος φάσεων ειδικά για το κράμα.
Το αμυδρό ενδοθερμικό φαινόμενο στους 275 °C μπορεί να αποδοθεί στη μετάβαση του Curie. Αν και το σήμα είναι αδύναμο, το φαινόμενο αυτό μπορεί να ανιχνευθεί με τη μέθοδο DSC. Επιπλέον, μπορεί να συνδεθεί στο STA ένα εξάρτημα εξωτερικού μαγνητικού πεδίου για επαλήθευση· η μετάβαση από σιδηρομαγνητική σε παραμαγνητική κατάσταση θα ανιχνευθεί με τη μορφή ενός φαινομενικού σήματος μεταβολής μάζας (βλ. Εικόνα 2).
Περίληψη
Για τον θερμικό χαρακτηρισμό των μαγνητικών σκονών NdFeB, η σειρά STA Jupiter® της NETZSCH προσφέρει σαφή αναλυτικά πλεονεκτήματα: επιτρέπει την ταυτόχρονη ανίχνευση πιθανών μεταβολών μάζας και θερμικών φαινομένων σε μία μόνο μέτρηση, δίνοντας τη δυνατότητα στους χρήστες να διακρίνουν με μεγάλη αξιοπιστία μεταξύ διαδικασιών αποδόμησης και πραγματικών μετασχηματισμών φάσης. Αυτό καθιστά το σύστημα ιδιαίτερα πολύτιμο για την ανάπτυξη υλικών, τη σύγκριση παρτίδων, τον ποιοτικό έλεγχο, την ανάλυση βλαβών και τη βελτιστοποίηση των συνθηκών θερμικής επεξεργασίας.
Επιπλέον, η μετάβαση Curie μπορεί να ανιχνευθεί τόσο στα σήματα DSC όσο και στα σήματα TGA με τη χρήση εξωτερικών μαγνητών. Αυτοί οι μαγνήτες δεν περιλαμβάνονται στο βασικό πακέτο, αλλά διατίθενται προς αγορά ως προαιρετικά εξαρτήματα.
Η σειρά STA Jupiter® βοηθά τους πελάτες να παράγουν αξιόπιστα, σχετικά με την εφαρμογή θερμικά δεδομένα ταχύτερα και με μεγαλύτερη βεβαιότητα ερμηνείας, υποστηρίζοντας καλύτερες αποφάσεις σχετικά με τα υλικά και πιο στιβαρό σχεδιασμό διεργασιών για προηγμένες εφαρμογές σκόνης μαγνητών NdFeB.