Seltene-Erden-basierte Legierungen für hart-magnetische Anwendungen: Phasenstabilität bei endlichen Drücken und Temperaturen

• Antragsteller: Professor Dr. Oliver Gutfleisch; Dr. Tilmann Hickel
• Fachliche Zuordnung: Thermodynamik und Kinetik sowie Eigenschaften der Phasen und Gefüge von Werkstoffen ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 316912154

Hartmagnetische Materialien spielen bei den europäischen Bemühungen, nachhaltige Energiekonzepte zum Klimaschutz zu entwickeln, eine zentrale Rolle. Die meisten Anwendungen, die auf elektrischem Antrieb beruhen (wie elektrische oder Hybridfahrzeuge), sowie Generatoren (wie Windturbinen) hängen entscheidend von der Leistungsfähigkeit der eingesetzten Hartmagnete ab. Der gegenwärtige Trend geht zu Systemen mit hoher magnetischer Energiedichte, um die Effizienz zu steigern und Größe, Gewicht und Herstellungskosten zu senken. Dafür ist Nd2Fe14B derzeit das Material der Wahl. Der Hauptgrund für die intensiven, weltweiten Bemühungen, dieses Material zu ersetzen ist jedoch der hohe Preis für die enthaltenen Seltenen Erd-Elemente wie Dy und Tb, aber auch Nd. Im Gegensatz dazu ist Ce ein weit verbreitetes Seltene-Erde-Element, welches in Legierungen sogenannte Seltene Erde-Balance-Magneten bilden kann. Ce-basierte hartmagnetische Materialien sind jedoch schwer herstellbar, da die magnetisch interesssanten ternären Phasen oft mit binären Phasen wie CeFe2 in der Mikrostruktur konkurrieren.Ein Hauptziel dieses Projekts ist es deshalb, ein grundlegendes Verständnis der physikalischen Ursachen für die thermodynamische Stabilität von RE-Legierungen (RE=Ce, Pr, Nd) zu erhalten und darauf basierend effiziente Herstellungsrouten für Ce-enthaltene intermetallische Phasen zu identifizieren. Mit Hilfe eines Spektrums von theoretischen und experimentellen Methoden werden die Phasendiagramme dieser Materialien bestimmt. Drei Freiheitsgrade stehen dabei im Fokus: (i) die Temperatur T ist der Schlüsselparameter während der Herstellung, aber auch für viele Anwendungen, (ii) der Druck P kann einen starken Einfluss auf die Stabilität, aber auch auf die magnetischen Eigenschaften haben, und (iii) die chemische Zusammensetzung X kann so variiert werden, dass physikalische Trends für Phasenstabilitäten sichtbar werden und intrinsische sowie extrinsische magnetische Eigenschaften optimiert werden. Diese Aufgaben werden im Rahmen eines Gemeinschaftsprojekts dreier Partner angegangen. Dichte-Funktional-Theorie-basierte Methoden werden am Max-Planck-Institut für Eisenforschung verwendet, um freie Energien und alle relevanten Entropiebeiträge für den P-T-X Parameterraum ab initio zu bestimmen. Die Herausforderung der starken elektronischen Korrelationen wird an der Ecole Polytechnique angegangen, indem chemische Trends mit der Dynamischen Mean-Field Theorie (DMFT) untersucht werden. Moderne Herstellungs- und umfangreiche Charakterisierungsmethoden für einen breiten Magnetfeld-, Druck- und Temperaturbereich werden an der Technischen Universität Darmstadt durchgeführt. Die hier erzielten experimentellen Daten dienen als Benchmark für die Theorie. Die Synthese wird umgekehrt von den theoretischen Erkenntnissen über thermomechanische Herstellungsrouten im P-T-X Diagramm zur Stabilisierung vielversprechender magnetischer Phasen profitieren.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Frankreich
• Partnerorganisation: Agence Nationale de la Recherche / The French National Research Agency
• Kooperationspartnerin: Professorin Dr. Silke Biermann