Materialsubstitution

Die Entwicklung neuer hartmagnetischer Materialien ohne Seltene Erden (SE) sollte den Einsatz der SE haltigen Nd-Fe-B Magnete in Produkten auf ein Minimum reduzieren oder sogar ganz substituieren. Mit materialwissenschaftlichen Methoden wurden neuartige ferromagnetische Phasen theoretisch vorhergesagt und anschließend legierungstechnisch synthetisiert.

Dabei wurden zunächst vielversprechende Materialansätze mittels eines selbst entwickelten Simulationsverfahren für neue Dauermagnete identifiziert. Hierfür wurde ein High-Throughput-Screening (HTS) eingesetzt, das für eine Vielzahl von Kristallstrukturen unterschiedliche Atome systematisch durchvariiert. Bei der Analyse der Materialvarianten wurde der Fokus auf drei Eigenschaften gelegt, die für die Verwendung der Dauermagneten von hoher Bedeutung waren: Dies war zunächst die Stabilität des Materials, die sich über die Bildungsenergie abschätzen lässt. Zweiter wichtiger Aspekt war das maximal erreichbare Energieprodukt, das eine Aussage über die Stärke des Magneten zugelassen hat. Sehr wichtig für den vorgesehenen Verwendungszweck war ebenso die Anisotropie-Energie, das Maß für die Richtungsstabilität der Magnetisierung. Nach einer Validierung mittels experimenteller Daten wurden mit diesem Verfahren vielversprechende Phasen als Alternative zu Nd₂Fe₁₄B identifiziert, die einen geringeren Anteil an Selten-Erd-Elementen enthalten.

Von theoretischer Seite wurden zusätzlich Methoden des Machine Learning eingesetzt. Hiermit wurden Zusammenhänge in der ständig wachsenden HTS-Datensammlung aufgespürt, um wertvollen Informationen über Eigenschaftsbeziehungen zwischen Kristallstrukturen (input) und magnetischen Eigenschaften (output) zu erhalten. Es konnten unterschiedliche Phasen erfolgreich synthetisiert werden, die nüzliche Vorhersagen für neue Magnetphasen mit Machine Learning und eine effizientere Berechnung von thermodynamischen Stabiltitäten zur Folge haben.

Die erhaltenen Ergebnisse wurden zur experimentellen Synthese der als vielversprechend identifizierten Kristallphasen genutzt. Als Syntheserouten konnten Arc-Melting, Suction Casting und Melt-Spinning eingesetzt werden.