Verbesserung seltenerdfreier Magnete durch Mikrostrukturtechnik

Forscher des Critical Materials Institute (CMI) des Department of Energy und des Ames National Laboratory haben die Eigenschaften eines seltenerdfreien Permanentmagnetmaterials verbessert und gezeigt, dass der Prozess für die Herstellung hochskaliert werden kann. Die Forscher entwickelten ein neues Verfahren zur Herstellung von Mangan-Wismut (MnBi)-Magneten auf der Grundlage von Mikrostrukturtechnik. Dieses Verfahren ist ein Schritt hin zu kompakten, energieeffizienten Motoren ohne den Einsatz von Seltenen Erden.

Hochleistungs-Permanentmagnete werden für eine Vielzahl erneuerbarer Energietechnologien, darunter Windkraftanlagen und Elektroautos, immer wichtiger. Laut Wei Tang, CMI-Forscher und Ames Lab-Wissenschaftler, werden diese Magnete derzeit aus Seltenerdelementen wie Neodym und Dysprosium hergestellt. Er erklärte jedoch, dass diese Elemente nur wenige Lagerbestände und eine hohe Nachfrage aufweisen, was zu einer unzuverlässigen Lieferkette und hohen Preisen führt. Eine Lösung für dieses Problem besteht darin, dass Wissenschaftler alternative Materialien wie das in dieser Forschung verwendete MnBi finden.

Für Motoren verwendete Permanentmagnete erfordern eine hohe Energiedichte oder ein hohes Maß an Magnetismus und Koerzitivfeldstärke. Die Koerzitivfeldstärke ist die Fähigkeit eines Magneten, sein aktuelles Magnetisierungsniveau aufrechtzuerhalten, obwohl er hoher Hitze und äußeren Einflüssen ausgesetzt ist, die ihn entmagnetisieren könnten.

„Wenn wir Magnete mit hoher Leistungsdichte verwenden, können wir die Motorgröße reduzieren und einen kompakteren Motor herstellen“, sagte Tang. „Gerade jetzt ist es sehr wichtig, dass wir einige Geräte kleiner und kompakter machen können, energieeffizienter.“

Die Herausforderung bei MnBi besteht darin, dass traditionelle Herstellungsverfahren eine hohe Hitze benötigen, um die einzelnen Materialien in einen großen Magneten zu verwandeln. Die notwendige Wärme verringert die Energiedichte des Magneten. Um dieses Problem anzugehen, entwickelte das Team einen alternativen Prozess.

Tang sagte, dass sie mit einem sehr feinen Pulver für jedes der Materialien begannen, was das anfängliche magnetische Energieniveau erhöht. Als nächstes verwendeten sie ein warmes Erwärmungsverfahren anstelle eines Hochtemperaturverfahrens zum Bilden des Magneten. Schließlich bestand der Schlüssel zu ihrem neuen Verfahren darin, eine nichtmagnetische Komponente hinzuzufügen, die verhindern würde, dass sich die Kornpartikel berühren. Dieses zusätzliche Element, Korngrenzenphase genannt, verleiht dem Magneten mehr Struktur und hält den Magnetismus, der durch einzelne Partikel/Körner läuft, davon ab, sich gegenseitig zu beeinflussen.

„Es ist wie das Strukturmaterial“, sagte Tang. „Es ist, als würden wir Beton verwenden, um eine Mauer zu bauen. Nur der Beton selbst ist schwach, aber wenn wir zuerst eine Stahlbewehrung hineinlegen und dann den Beton gießen, wird er mehrere Dutzend Mal stärker.“

Der Effekt der warmen Temperatur auf die magnetischen Eigenschaften von MnBi ist einzigartig. Die Forscher erwarteten, dass die Koerzitivkraft und der Magnetismus mit steigender Temperatur abnehmen, was für die meisten magnetischen Materialien gilt. Bei MnBi jedoch erhöhte die warme Temperatur die Koerzitivfeldstärke und verringerte die Magnetisierung. Diese erhöhte Koerzitivfeldstärke trägt dazu bei, den Magneten bei erhöhten Temperaturen stabiler zu halten als andere bekannte Magnete.

Das Team konzentrierte sich auch auf die Herstellung größerer Magnete im Vergleich zu den normalerweise kleinen Magneten, die in Labors entwickelt wurden. Die Vergrößerung der Magnete trägt dazu bei, den Herstellerfirmen zu zeigen, dass sie große Magnete im kommerziellen Maßstab bauen können.

„Wenn wir das größere nicht herstellen können, können wir es für keine Anwendung verwenden“, sagte Tang. „Wir brauchen einen großen Magneten, und wir müssen ihn in die gewünschte Form bringen. Außerdem müssen wir in der Lage sein, zu geringen Kosten in Massenproduktion zu produzieren. Das ist wichtig für zukünftige Anwendungen.“

Das Team arbeitet derzeit mit PowderMet Inc. zusammen und nutzt deren zum Patent angemeldete Techniken, um die Massenproduktion der MnBi-Magnete für den Einsatz in neuartigen Elektromotoren voranzutreiben. Dieses Projekt wird vom DOE Small Business Innovation Research Program finanziert. Das Projekt ist bereits in Phase II eingetreten, was bedeutet, dass sich das Projekt als durchführbar erwiesen hat und zusätzliche Mittel zur Weiterentwicklung und Demonstration der Technologie vergeben wurden.

Diese Forschung wird in dem Artikel „Technische Mikrostruktur zur Verbesserung der Koerzitivfeldstärke von Bulk-MnBi-Magneten,“ geschrieben von Wei Tang, Gaoyuan Ouyang, Xubo Liu, Jing Wang, Baozhi Cui und Jun Cui und veröffentlicht im Zeitschrift für Magnetismus und magnetische Materialien.