Leistungsschub für Permanentmagneten

Obwohl Samarium-Kobalt-Magneten bereits in den frühen 1960er Jahren entdeckt wurden, war der ihren Eigen­schaften zugrunde liegende Domänen­wand-Pinning-Mecha­nismus bis­lang rätsel­haft. Forscher der TU Darm­stadt konnten jetzt zeigen, dass der Eisen­gehalt die Aus­bil­dung einer diamant­förmigen Zell­struktur steuert, welche die Dichte und Stärke der Domänen­wand-Pinning-Zentren und damit die Koerzitiv­feld­stärke, also gleich­sam die Wider­stands­kraft gegen Ent­magne­tisie­rung, dominiert. Durch die Verwen­dung eines aber­rations­korri­gierten Raster­trans­missions­elek­tronen­mikro­skops mit atomarer Auf­lösung in Kombi­nation mit mikro­magne­tischen Simu­la­tionen konnten Wissen­schaftler erst­mals die Atom­struktur der einzelnen Phasen auf­decken sowie eine direkte Korre­la­tion zu den makro­sko­pischen magne­tischen Eigen­schaften her­stellen. Im Hin­blick auf zukünf­tige Ent­wick­lungen kann dieses Wissen zur Her­stellung von Samarium-Kobalt-Perma­nent­mag­neten mit verbes­serter magne­tischer Leistung ange­wendet werden.

Pinning-dominierte Permanentmagnete, die bei Tempe­ra­turen über hundert Grad Celsius stabil arbeiten können, steigern die Leistungs­fähig­keit von magnet­basierten indus­triellen Anwen­dungen. Dazu gehören Mikro­wellen­röhren, Gyro­skope und Beschleu­nigungs­messer, Reaktions- und Impuls­räder zum Beispiel zur Steue­rung und Stabi­li­sierung von Satel­liten, Magnet­lagern, Sensoren und Aktoren. Sm₂(Co, Fe, Cu, Zr)₁₇ ist ein wich­tiges indus­triell verwen­detes Material­system, da es sowohl eine hohe Curie-Tempe­ratur als auch eine hohe magneto­kris­tal­line Aniso­tropie besitzt. Im Gegen­satz zu nuklea­tions­gesteu­erten Nd-Fe-B-basierten Permanen­tmagneten behält der Sm₂Co₁₇-Typ bei hohen Tempe­ra­turen seine hervor­ragenden magne­tischen Eigen­schaften bei.

Um hohe magnetische Leistungen zu erhalten, ist es zum einen not­wendig, die Synthese­para­meter bei der Her­stel­lung präzise zu steuern und zum anderen die atomare Struktur und das Ver­halten der betei­ligten Phasen gründ­lich zu ver­stehen. Eine höhere Sätti­gungs­magne­ti­sierung, die durch einen erhöhten Eisen­gehalt erreicht wird, ist für die Errei­chung größerer Energie­produkte in diesen Selten­erd-Perma­nent­mag­neten von wesent­licher Bedeu­tung. Das Forscher­team ent­wickelte Sm₂Co₁₇-Modell­magneten mit einem erhöhten Eisen­gehalt. Eine chemische Modi­fi­kation durch Zugabe von Eisen, Kupfer und Zirconium erzeugt eine beson­dere Nano­struktur.

Weitere Untersuchungen an der TU Darmstadt zu diesem Material­system werden tempe­ratur­ab­hängige Studien bein­halten. Eine Vision der Wissen­schaftler ist es, die Mecha­nismen, welche zu einer ver­bes­serten magne­tischen Leistung bei Sm₂Co₁₇-basierten und ver­wandten Perma­nent­magneten führen, weiter zu unter­suchen. Das würde einen großen Durch­bruch auf diesem Gebiet dar­stellen. Darüber hinaus sind spezielle orts­spezi­fische Elek­tronen­energie­verlust­messungen geplant, welche den magne­tischen chiralen Dichro­ismus als Basis für eine quanti­tative, lokale Bestim­mung der Magnet­eigen­schaften ver­wenden.

TU Darmstadt / RK