Optimización de propiedades de composites magnéticos para aplicaciones a alta y baja frecuencia mediante técnicas avanzadas de aleado mecánico de materiales amorfos

Resumen

La presente tesis doctoral se centra en el desarrollo de materiales magnéticos como son las ferritas y los materiales magnéticamente blandos amorfos y nanocristalinos, en forma de cintas y microhilos. La estructura y propiedades magnéticas de estos materiales han sido optimizadas mediante el empleo de diferentes técnicas de molienda mecánica. Esto ha permitido la fabricación de materiales compuestos para aplicaciones de apantallamiento electromagnético e imanes permanentes isótropos libres de tierras raras. Las aleaciones nanocristalinas basadas en Fe y FeCo son bien conocidas por presentar unas adecuadas propiedades magnéticas como material blando, que las hacen adecuadas para aplicaciones específicas. En este trabajo, se han utilizado diferentes técnicas de molienda mecánica de bolas de alta energía (en medio seco y húmedo) y criomolienda, para obtener polvo de tamaño submicrométrico de cintas nanocristalinas y microhilos amorfos. Se ha estudiado la influencia de las técnicas de molienda seleccionadas sobre la microestructura y las propiedades magnéticas blandas del producto final. Se han empleado microhilos amorfos para fabricar materiales compuestos de matriz polimérica destinados a aplicaciones de atenuación de microondas, cuyas propiedades dependen de la relación de aspecto y longitud final de los microcrohilos. Así mismo, se han caracterizado a alta frecuencia láminas de material compuesto con diferentes espesores y con un contenido variable de polvo de microhilo y de microhilos de 2 mm de longitud, considerando además la naturaleza conductora o no conductora de la matriz. Así, se han obtenido valores de atenuación y de ancho de banda superiores a los que presentan otros tipos de materiales compuestos de matriz polimérica reforzados con microhilos. Los datos experimentales obtenidos se han validado mediante el empleo de la aproximación de medio efectivo de Maxwell Garnett. Por otro lado, la creciente demanda de imanes permanentes ha impulsado la investigación para reducir el uso de tierras raras en su proceso de fabricación. En este trabajo, se han combinado ferritas de Sr tipo M como fase dura con polvo nanocristalino de Fe y FeCo como fase blanda, con objeto de alcanzar un acoplamiento efectivo entre las fases que permita obtener un elevado producto máximo de energía. Así pues, se ha desarrollado un procedimiento de molienda mecánica de bolas de alta energía para obtener una dispersión homogénea de ambas fases y preservar las propiedades estructurales de las fases individuales. De este modo, se ha conseguido obtener un material compuesto que presenta un producto máximo de energía superior en un 30% al que presentan las ferritas comerciales y cuyo proceso de obtención presenta adecuadas características para ser industrializado. Así mismo, se han realizado medidas de retroceso de histéresis, de imanación IRM y de desimanación DC, así como curvas Henkel para analizar la naturaleza de las interacciones magnéticas entre las fases duras y blandas. Por otro lado, el comportamiento del material como una sola fase ha sido observado a partir de ciclos de histéresis medidos a 5 K, sin embargo, el análisis de la distribución de los campos de inversión ha mostrado procesos de desimanación independientes para dichas fases. Si bien el tamaño de partícula de la fase blanda es bastante superior al umbral crítico para que tenga lugar un acoplamiento por canje efectivo, se han observado algunas características típicas de imanes acoplados por canje tipo ¿spring¿. Esto pone de relieve el papel de las interacciones dipolares debidas a la disposición de las partículas duras alrededor de las blandas, y que están vinculadas al desacoplamiento entre ambas fases. Estos resultados sugieren la posibilidad de mejorar las propiedades magnéticas de los materiales compuestos, producidos a partir de un material duro y uno blando, sin necesidad de disponer de un tamaño medio de partícula de la fase blanda por debajo del umbral crítico.