Bessere Magnete für grüne Energie

Weichmagnetische Werkstoffe sind Schlüssel­materialien für die Energiewende. Sie werden in Elektro­motoren eingesetzt, die die Energie aus nach­haltigen Quellen wie Wind und Wasser in Elektrizität umwandeln und so nutzbar machen. Allerdings sind herkömm­liche Weich­magnete, die derzeit in der Industrie eingesetzt werden, anfällig für Schäden bei starker mechanischer Beanspruchung. Wissen­schaftler des MPI für Eisen­forschung, der TU Darmstadt und der Central South University in China haben jetzt eine neue Design­strategie entwickelt, die die Lebensdauer von weich­magnetischen Werkstoffen erhöht und High-Tech-Anwendungen wie Hoch­geschwin­dig­keits­motoren ermöglicht.

„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“, erklärt Liuliu Han vom MPIE. Eine höhere Festigkeit von Werkstoffen wird normaler­weise durch Anpassungen in der Mikro­struktur, wie zum Beispiel durch die Implemen­tierung von Ausschei­dungen und Defekten, erzielt. Laut bisherigem Forschungs­stand würde der Einsatz von Nano­partikeln in der Mikro­struktur die magnetischen Eigen­schaften verringern, da diese Nano­partikel die Bewegung der Domänen­wände hemmen. Diese Bewegung ist jedoch essentiell für die magnetische Wirkung des Werkstoffs.

Das Team entdeckte jetzt, dass die Größe der Nano­partikel sowohl für die mechanische Festigkeit und Duktilität des Werkstoffs als auch für dessen magnetische Eigen­schaften eine entscheidende Rolle spielt. „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. Wir haben Partikel eingesetzt, die nur etwas kleiner sind als die Breite der Domänen­wand. Diese Vergröberung führt zu einer geringeren spezifischen Oberfläche und reduziert die innere Spannung. So werden die magnetischen Eigen­schaften trotz der Partikel nicht beeinträchtigt und die Duktilität und Festigkeit wird verbessert“, sagt Han.

Das Forschungsteam setzte diese Designidee in einem Mehr­kompo­nenten-Legierungs­system mit multi­funktio­nalen Eigen­schaften um. Es stammt aus dem Konzept der Hoch­entropie-Legierung und enthält Eisen, Nickel, Kobalt, Tantal und Aluminium. Bei herkömm­lichen Weich­magneten, die nicht auf eine hohe Festigkeit und Duktilität setzen, ist diese Zusammen­setzung unüblich. Darüber hinaus sind die auf dem neuen Legierungs­system basierenden Werkstoffe einfacher herzu­stellen und haben eine höhere Lebensdauer als herkömm­liche Magnet­werk­stoffe.

„Mit Hilfe 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 von der TU Darmstadt. Die magnetischen Eigen­schaften wurden an der TU Darmstadt untersucht, während Design und Charakte­ri­sierung der Legierung am MPIE durchgeführt wurden.

Die von dem Team verwendete Zusammen­setzung dient als Modell­system für Mehr­kompo­nenten­legierungen. Das Konzept ist nicht auf weich­magnetische Werkstoffe beschränkt, sondern lässt sich auch auf High-Tech-Legierungen mit neuen und ungewöhn­lichen Kombi­na­tionen von funktio­nellen und mechanischen Eigen­schaften anwenden.

MPIE / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  L. Han et al.: A mechanically strong and ductile soft magnet with extremely low coercivity, Nature 608, 310 (2022); DOI: 10.1038/s41586-022-04935-3
• De Magnete – Designing Magnetism on the Atomic Scale, Max-Planck-Institut für Eisenforschung, Düsseldorf
• Institut für Materialwissenschaft, FB Material- und Geowissenschaften, Technische Universität Darmstadt
• School of Materials Science and Engineering, Central South University, Changsha, China