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08.06.2016 | Materialentwicklung | Im Fokus | Onlineartikel

Auf der Suche nach neuen Supermagneten

Autor:
Dieter Beste


Forschern ist es gelungen, mit dem Computational High-Throughput-Screening neue Hartmagnete zu finden, die in ihrem Gefüge weniger Seltene Erden enthalten und trotzdem über eine außerordentlich hohe Magnetkraft verfügen.

Magnetwerkstoffe werden nach ihren magnetischen Eigenschaften in hartmagnetische und weichmagnetische Werkstoffe, nach ihrer chemischen Stoffklasse in metallische und oxidische Werkstoffe eingeteilt. "Hartmagnetisch nennt man Werkstoffe, die schwer umzumagnetisieren sind und bei Abschalten des äußeren Feldes eine hohe Restmagnetisierung besitzen. Diese Eigenschaften werden durch große Koerzitivkräfte (über 10 000 A/m) und durch Remanenzwerte über 1 T charakterisiert. Hartmagnetische Werkstoffe sind daher geeignet für alle Arten von Dauermagneten", erklären die Springer-Autoren Bernhard Ilschner und Robert F. Singer in "Werkstoffwissenschaften und Fertigungstechnik" (Seite 310). Kraftvolle Dauermagnete gehören ebenso wie Elektromagnete zu den Kernelementen von Elektromotoren und von Generatoren. Es ist zu erwarten, dass der künftige Bedarf leistungsfähiger und kostengünstiger Permanentmagnete durch den Ausbau der Windenergie und der Elektromobilität sogar noch stark anwachsen wird.

Die starke Magnetkraft moderner Permanentmagnete entfaltet sich auf der Grundlage von Materialgefügen, in denen Seltenerdmetalle wie Neodym oder Samarium den Ton angeben. Doch Seltenerdmetalle sind kritische Rohstoffe: Sie werden nur in bestimmten Weltgegenden gefunden, sind aus politischen Gründen nicht zuverlässig verfügbar – und wohl auch deshalb teuer.

Erfolg mit High-Throughput-Screening (HTS)

Forschern des Fraunhofer-Instituts für Werkstoffmechanik (IWM) in Freiburg ist es nun gelungen, mit einem selbst entwickelten Simulationsverfahren auf Basis eines High-Throughput-Screenings (HTS) vielversprechende Materialansätze für neue Dauermagnete zu identifizieren. Das Team verbesserte damit die magnetischen Eigenschaften und ersetzte gleichzeitig Seltene Erden durch Elemente, die weniger teuer und zuverlässig verfügbar sind. Die Ergebnisse haben sie im Fachmagazin "nature" publiziert. Ausgangspunkt des Projekts der IWM-Forscher Wolfgang Körner, Georg Krugel und Christian Elsässer war eine Neodym-Eisen-Stickstoff-Verbindung, die auf einem Thorium-Mangan-Kristallstrukturtyp basiert. "Die verwendete Neodym-Eisen-Stickstoff-Verbindung hat bessere magnetische Eigenschaften als der derzeitige Supermagnet aus Neodym, Eisen und Bor", berichtet Georg Krugel, allerdings sei das Material noch nicht stabil genug. Bislang lässt es sich nur in dünnen Schichten herstellen.

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Mit dem neuen HTS-Verfahren wurden nun in der Kristallstruktur unterschiedliche Atome systematisch variiert. Zunächst ersetzten die Forscher die Neodym-Atome durch andere Seltene Erden, beispielsweise Cer, welches erheblich kostengünstiger ist. Die Eisen-Atome variierten sie dann mit Übergangsmetallen wie Kobalt, Nickel und Titan, aber auch mit weiteren Elementen wie Silizium. Das HTS umfasste auf diese Weise 1280 Varianten, die die Forscher hinsichtlich ihrer Eigenschaften analysierten. Neben der Identifizierung vielversprechender Materialansätze für neue Dauermagnete konnten sie auf diese Weise wichtige generelle Trends feststellen. "Es hat sich gezeigt, dass Cer und Neodym insgesamt besser als Samarium geeignet sind", sagt Krugel. Vor allem Cer weise eine sehr hohe Anisotropie auf. Hinsichtlich der Übergangsmetalle konnten die Forscher vor allem die Eignung von Titan besser einschätzbar machen: "Das Übergangsmetall reduziert zwar die Stärke des Magneten, erhöht seine Richtungsstabilität aber erheblich." Auch für zusätzlich in die Kristallstruktur eingebaute Atome können nun gesicherte Aussagen gemacht werden: Nach IWM-Angaben eignen sich Stickstoff oder Kohlenstoff besser als das in aktuellen Supermagneten verwendete Bor. 

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