Die Mangan-Aluminium-Kohlenstoff Verbindung MnAL-C ist ein vielversprechendes, weil umweltfreundliches magnetisches Material. Der Funktion als Dauermagnet und damit wichtiger Bestandteil moderner ökologischer Energie- und Verkehrssysteme steht jedoch ihr geringer Widerstand gegen Ummagnetisierung entgegen. Vom besseren Verständnis dieser Ummagnetisierungsprozesse erhoffen sich Forscher am Zentrum für Integrierte Sensorsysteme der Donau-Universität Krems eine Grundlage für die Industrie zu gewinnen, um die Leistung von MnAL-C-Magneten zu erhöhen und damit auf Magnete aus kostbaren seltenen Erden verzichten zu können. In der Forschung setzen sie dabei auf hochmoderne Computersimulation.
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Dauermagnete sind ein wichtiger Materialbaustein für umweltfreundliche Verkehrs-, Wasser- und Windkraftsysteme. Ein vielversprechendes magnetisches Material ist dabei MnAl-C. Im Mn-Al-System kann eine thermodynamische metastabile Phase, die tau-Phase, in mit Kohlenstoff dotierten, nahezu equiatomaren Legierungen, also MnAl-C, hergestellt werden. Obwohl die tau-Phase von MnAl-C keine ferromagnetischen Elemente wie Eisen, Nickel oder Kobalt enthält, ist die tau-Phase auch bei hohen Temperaturen ferromagnetisch und zeigt all jene Eigenschaften, die Voraussetzungen für einen hochleistungsfähigen Permanentmagnet sind. Sie enthält keine kritischen Elemente, weshalb ihre längerfristige Anwendung umweltfreundlich ist - in starkem Gegensatz zu seltenerdhaltigen Magneten wie zum Beispiel Nd-Fe-B. Darüber hinaus hat tau-MnAl-C eine niedrige Dichte, die für Anwendungen in Transport und Luftfahrt von Vorteil ist.
Geringer Widerstand gegen Ummagnetisierung als Herausforderung
Eine Voraussetzung für einen guten Dauermagnet ist die Anisotropie, also die Richtungsabhängigkeit der magnetischen Eigenschaft. Die magnetischen Momente zeigen bevorzugt in eine kristallographische Richtung. Obwohl die magnetische Anisotropie von tau-MnAl-C für ein Material ohne seltene Erden hoch ist, ist sein Widerstand gegenüber Ummagnetisierung, die sogenannte Koerzitivfeldstärke, in der Praxis jedoch nur rund 10 Prozent des maximal möglichen Wertes. Dies ist der Hauptgrund dafür, dass MnAl-C zurzeit nicht als Permanentmagnet verwendet wird. Die niedrige Koerzitivfeldstärke ist durch das Gefüge des Materials bedingt. tau-MnAl-C-Proben zeigen verschiedene innere Grenzflächen mit Korn- und Zwillingsgrenzen. Diese Grenzflächen spielen eine Rolle in den Ummagnetisierungsprozessen, der dahinterstehende Mechanismus und die relativen Stärken der Effekte sind jedoch nicht bekannt.
Ummagnetisierungsprozesse verstehen
Das Verständnis dieser Ummagnetisierungsprozesse ist daher als der entscheidende Schritt zu sehen im Versuch, die Leistung von MnAl-C Magneten zu erhöhen. Dies wird der Forschung und der Industrie ermöglichen, die Bildung von vorteilhaften Grenzflächen gezielt zu fördern und die von nachteiligen zu unterbinden.
In seinem Forschungsprojekt setzt das Zentrum für Integrierte Sensorsysteme auf einen neuartigen Ansatz, der hochmoderne Charakterisierung mit hochmoderner Computersimulation kombiniert, um quantitative Aussagen zum Einfluss von Grenzflächen auf Ummagnetisierungsprozesse in tau-MnAl-C zu erhalten. Während in früheren Studien nur kleine Flächen der Gefüge untersucht wurden, wird hier Elektronenrückstreubeugung angewendet, um große Flächen zu analysieren und dadurch erstmalig detaillierte Verteilungen der verschiedenen Grenzflächen zu erhalten. Nanoskalige Aspekte werden mittels hochauflösender Transmissionselektronenmikroskopie untersucht. Computermodelle werden aus diesen Gefügedaten generiert, die eine direkte Nachbildung der Gefüge erlauben und den Einfluss der Grenzflächen auf die Ummagnetisierung berechnen lassen.
Die Anwendung dieses Ansatzes auf magnetische Materialien ist neuartig. Materialien mit unterschiedlichen Verteilungen von Grenzflächentypen werden im Projekt experimentell hergestellt und mit dieser Methode untersucht.
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Projekt: The Effect of Interfaces on Magnetisation Reversal in MnAl-C
Laufzeit: 01.10.2017 bis 30.09.2020
Auftraggeber: FWF
Department: Gesundheitswissenschaften und Biomedizin, Zentrum für Integrierte Sensorsysteme
Projektverantwortlich: DI (FH) Dr Markus Leopold Gusenbauer
Koordination: Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung Dresden
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