Materialforschung 12. Aug 2022

Längere Lebensdauer von Magneten für die effiziente Energienutzung

Verbesserte Nassmagnete für schnell laufende Motoren und Generatoren entwickelte ein internationales Forschungsteam. Der neue Designansatz eigne sich auch für Mehrkomponentenlegierungen in anderen Hightech-Anwendungen, heißt es.

Durch Mehrkomponentenlegierung und Nanopartikel gelang es einem Forschungsteam feste und gleichzeitig duktile Weichmagnete herzustellen.
Foto: Tianyi You/Max-Planck-Institut für Eisenforschung GmbH

Von Martin Ciupek

Magnete kommen in vielen Elektromotoren und Generatoren zum Einsatz, die im Zuge der Energiewende an Bedeutung gewinnen. Sie helfen bei der effizienten Umwandlung von Energien aus nachhaltigen Quellen wie Wind und Wasser. Meist handelt es sich dabei um sogenannte weichmagnetische Werkstoffe – also Materialien, die sich in einem Magnetfeld leicht magnetisieren lassen. Der Nachteil: herkömmliche Weichmagnete, wie sie aktuell in der Industrie eingesetzt werden, sind anfällig für Schäden bei starker mechanischer Beanspruchung.

Deshalb haben Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Eisenforschung (MPIE), der Technischen Universität Darmstadt sowie der Central South University in China, eine neue Designstrategie entwickelt. Damit soll die Lebensdauer von weichmagnetischen Werkstoffen erhöht und Hightech-Anwendungen wie Hochgeschwindigkeitsmotoren ermöglicht werden. Ihre Ergebnisse veröffentlichten sie nun in der Zeitschrift Nature.

Nanopartikel erhöhen die Festigkeit der Magnete

Liuliu Han, Doktorand am MPIE und Erstautor der Veröffentlichung, erklärt die Herausforderung des Forschungsvorhabens: „Das Problem bei herkömmlichen weichmagnetischen Werkstoffen ist, dass wir entweder einen starken Magnetismus oder ein festes Material haben. Beide Eigenschaften gleichzeitig ließen sich bisher nicht vereinen.“

Eine höhere Festigkeit von Werkstoffen werde normalerweise durch Anpassungen in der Mikrostruktur, wie gezielt eingesetzte Ausscheidungen und Defekte erzielt. Bisher gingen die Forscher davon aus, dass der Einsatz von Nanopartikeln in der Mikrostruktur die magnetischen Eigenschaften verringert, da die Nanopartikel die Bewegung der Domänenwände hemmen. Für die magnetische Wirkung des Werkstoffs ist diese Bewegung aber essenziell.

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Nach neuesten Erkenntnissen des internationalen Forschungsteams, ist dabei die Größe der Nanopartikel sowohl für die mechanische Festigkeit und Duktilität (plastische Verformung unter Belastung) des Werkstoffs als auch für dessen magnetischen Eigenschaften entscheidend. Wichtig ist dabei das Verhältnis der Größe der Nanopartikel zur Dicke zur Domänenwand. Im Magnetismus steht der Begriff für eine Grenzfläche, die magnetische Domänen trennt.

Han stellt fest: „Bisher ging man davon aus, dass kleinere Nanopartikel weniger mit den Domänenwänden interagieren und so die Stärke der magnetischen Wirkung weniger beeinflussen. Doch genau das Gegenteil ist der Fall.“ Deshalb ersetzten die Forschenden die eingesetzten Partikel. „Diese sind nun lediglich etwas kleiner als die Breite der Domänenwand. Die Vergröberung führt zu einer geringeren spezifischen Oberfläche und reduziert die innere Spannung“, verdeutlicht Han. So würden die magnetischen Eigenschaften trotz der Partikel nicht beeinträchtigt. Gleichzeitig werde die Duktilität und Festigkeit verbessert.

Mehrkomponentenlegierung erlaubt verbessertes Designkonzept der Magnete

Die Erkenntnis setzte das Forschungsteam in ihrem neuen Designkonzept für Weichmagnete um und verwendete dazu eine Mehrkomponentenlegierung mit multifunktionalen Eigenschaften. Die Legierung enthält Eisen, Nickel, Kobalt, Tantal und Aluminium – also eine Zusammensetzung, die bei herkömmlichen Weichmagneten unüblich ist. Darüber hinaus sind die auf dem neuen Legierungssystem basierenden Werkstoffe einfacher herzustellen und haben eine höhere Lebensdauer als herkömmliche Magnetwerkstoffe.

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An der TU Darmstadt soll das Legierungssystem weiter verbessert werden. „Mithilfe von Computersimulationen und maschinellem Lernen versuchen wir nun die Kosten der neuen Legierung zu senken. Dazu wollen wir die Menge der teuren Elemente wie Kobalt reduzieren. Und Elemente mit ähnlichen Eigenschaften finden, um die teuren Elemente zu ersetzen“, sagt Fernando Maccari, Postdoktorand in der Gruppe „Funktionale Materialien“ der TU Darmstadt und Zweitautor der Veröffentlichung. An der TU Darmstadt wurden in dem Projekt die magnetischen Eigenschaften untersucht, während Design und Charakterisierung der Legierung am MPIE durchgeführt wurden.

Mechanische und funktionelle Eigenschaften der neuen Mehrkomponentenlegierung im Vergleich. Grafik: Nature

Laut den Experten ist das Konzept nicht auf weichmagnetische Werkstoffe beschränkt, sondern lässt sich auch auf andere Hightech-Legierungen mit neuen und ungewöhnlichen Kombinationen von funktionellen und mechanischen Eigenschaften anwenden. Die verwendete Zusammensetzung dient damit also auch als Modellsystem für andere Mehrkomponentenlegierungen.

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