Hysterese Design durch Nanostruktur-Engineering mit kontinuierlichen Umformprozessen
Sonderforschungbereich/Transregio (SFB/CRR) 270 I Teilprojekt A09

Zielsetzung

Im Sonderforschungsbereich Transregio 270 – „Hysteresis design of magnetic materials for efficient energy conversion (HoMMage)“ beschäftigen sich Forschende aus den Bereichen Chemie, Physik, Material- und Ingenieurwissenschft mit der Forschung an Magnetisierungsmechanismen sowie Entwicklung von neuartigen permanentmagnetischen und magnetokalorischen Materialien. Anschließen an das Ziel des gesamten SFB/TRRs wird im Rahmen des Teilprojekts A09 ein neues Herstellungsverfahren für magnetische Materialien durch Umformen entwickelt, mit welchem Materialien mit einstellbarer Nanostruktur produziert werden können.

Motivation

Permanentmagnetische Materialien spielen eine immer wichtigere Rolle bei Technologien im Bereich der Energiegewinnung, der Mobilität sowie in der Automatisierung und der Unterhaltungsindustrie. Die Produktion von Permanentmagneten hat im letzten Jahrzehnt einen starken Aufschwung erfahren. Durch die fortschreitende Automatisierung sowie den Wechsel von Verbrennungsmotoren hin zur Elektromobilität ist der Bedarf an Permanentmagneten stark angestiegen.

Für die herausragenden permanentmagnetischen Eigenschaften ist die Mikrostruktur des Materials entscheidend. Dabei soll die Hauptphase (Körner) durch eine andere Phase (Korngrenzphase) umschlossen bzw. magnetisch entkoppelt werden. Beide Phasen sollen bestimmte Eigenschaften besitzen, um die Magnetisierungsmechanismen, wie z. B. Domänenwand-Pinning oder Nukleation, hervorzurufen. Zusätzlich wirken zahlreiche Parameter, wie z. B. die Ausrichtung und Größe der Körner sowie die Dicken der Korngrenze, auf die magnetischen Eigenschaften.

Aktuelle Ansätze zur Herstellung und Erforschung von mikro- oder nanostrukturellen Funktionswerkstoffen basieren auf der Schmelz- oder Pulvermetallurgie sowie der chemischen Synthese. Diese Methoden sind nur für bestimmte Legierungen oder Phasenkombinationen anwendbar, da sie vom Phasendiagramm oder von den chemischen Eigenschaften abhängig sind. Auch die Einstellbarkeit der Mikrostrukturen durch diese Methoden sind begrenzt.

konzepte_zur_umformung
[1] Konzepte zur Umformung von Metall-Matrix-Verbundwerkstoffen für magnetischen Werkstoffe

Lösungsweg

Eine vielversprechende Lösung zur Überwindung dieser Grenzen stellt die Umformung sogenannter Metall-Matrix-Verbundwerkstoffe (MMV) dar. MMV bestehen aus einer Matrix und mindestens einem weiteren Material, das in die Matrix eingebettet ist. Die im Projekt untersuchten MMV setzen sich aus Drähten und einem umgebenden Matrixmaterial zusammen. Die Drähte haben die Zusammensetzung der Hauptphase des magnetischen Materials und werden bei den Umformungsvorgängen in die gewünschte Nanostruktur überführt. Sie sind von einem Umhüllungsmaterial in Form von gebündelten Drähten, Matrix oder Beschichtung umgeben, welches die zweite Phase, bzw. Korngrenzenphase, in der gewünschten Nanostruktur darstellt. Die Ausgangsstäbe werden kontinuierlich zu Drähten mit deutlich reduziertem Durchmesser umgeformt. Diese neuen Drähte werden zu Stäben gebündelt und wieder zu Drähten geformt. Dieser Schritt wird wiederholt, bis die Mikrostrukturen der Drähte die gewünschte Dimension erreicht haben, wie in Abbildung [1] dargestellt ist.

Der Ansatz, die Struktur des Querschnitts des MMVs im Nanometerbereich zu gestalten, eröffnet einen neuen Weg, um die Härtungsmechanismen der Nukleation und des Domänenwand-Pinnings durch die Skalierbarkeit des Nanostruktur-Designs zu untersuchen. Gleichzeitig können die Mechanismen der plastischen Verformung und Kornverfeinerung von nicht-konventionellen Umformwerkstoffen untersucht werden.

Danksagung

Das vorgestellte Forschungsprojekt wird gefördert durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) im Rahmen des Sonderforschungsbereiches Transregio SFB/TRR 270 – „Hysteresis design of magnetic materials for efficient energy conversion (HoMMage)“.