08/06/2016
Door Ad Spijkers
Voor technologieën van de toekomst is het gebruik van sterke permanente magneten van groot belang. Maar hoe maak je die zonder zeldzame aardmetalen?
Voor de productie van sterke permanente magneten zijn zeldzame aardmetalen nodig, met name neodynium (Nd) en samarium (Sa). Het Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik (IWM) heeft met een zelf ontwikkelde simulatiemethode op basis van High Throughput Screening (HTS) veelbelovende materiaalsamenstellingen voor nieuwe permanente magneten geïdentificeerd. De onderzoekers verbeterden de magnetische eigenschappen en vervingen zeldzame aardmetalen door elementen die goedkoper en gemakkelijker beschikbaar zijn.
Uitgangsproject was een neodynium-ijzer-stikstofverbinding (NdFeN), gebaseerd op een thorium-mangaan-type (ThMn) kristalstructuur. De gebruikte NdFeN-verbinding heeft betere magnetische eigenschappen dan de huidige supermagneet uit neodynium, ijzer en boor (NdFeB), maar is niet stabiel genoeg. Tot nu toe is het alleen in dunne lagen te produceren.
Doel van het project was de identificatie van een nieuwe permanente magneet met dezelfde of betere magnetische eigenschappen qua sterkte en richtingsstabiliteit maar met de vereiste materiaalstabiliteit.
Werkwijze
Met de HTS-methode werd in de kristalstructuur systematisch gevarieerd met verschillende atomen. Eerst vervingen de onderzoekers de neodynium-atomen door andere zeldzame aardmetalen, bijvoorbeeld cerium (Ce) dat aanzienlijk goedkoper is.
De ijzeratomen vervingen ze vervolgens met overgangsmetalen als kobalt (Co), nikkel (Ni) en titanium (Ti), maar ook met elementen als silicium (Si). Het HTS omvatte op deze manier 1280 varianten, die door de onderzoekers op hun eigenschappen werden geanalyseerd.
Eigenschappen
Bij de analyse concentreerden de onderzoekers zich op drie eigenschappen die van belang zijn voor de toepassing van permanente magneten. Ze keken allereerst naar de stabiliteit van het materiaal, die af te schatten valt uit de vormingsenergie. Het tweede belangrijke aspect is het maximaal bereikbare energieproduct, dat een maat is voor de sterkte van de magneet.
Zeer belangrijk voor het beoogde doel is ook de anisotropie-energie, de maat voor de richtingsstabiliteit van de magnetisering. Op deze manier konden de onderzoekers uit de 1280 varianten twaalf veelbelovende kandidaten identificeren.
Maar houden de berekende eigenschappen van per computer gegenereerde materiaalvarianten in het echt stand? Daarom valideerden de onderzoekers deze aan de hand van bestaande permanente magneten. Deze resultaten bevestigden de voorspellingen van de berekende magnetische eigenschappen van de HTS-kandidaten.
Algemene trends
Behalve de identificatie van veelbelovende materiaalsamenstellingen voor nieuwe permanente magneten konden de onderzoekers andere trends vaststellen. Zo bleken cerium en neodynium samen beter geschikt te zijn dan samarium. Vooral cerium vertoont een hoge anisotropie.
Van de overgangsmetalen konden de onderzoekers de geschiktheid van titanium beter inschatten. Dit metaal vermindert weliswaar de sterkte van de magneten, maar zorgt voor een aanzienlijke verbetering van de richtingsstabiliteit. Ook voor extra in de kristalstructuur ingebouwde atomen konden uitspraken worden gedaan. Stikstof of koolstof (C) zijn beter geschikt dan het nu in supermagneten gebruikte boor.
Na het voorspellen van de nieuwe HTS-voorspellingen moeten de nieuwe magneten experimenteel worden geproduceerd. De industrie kan nu met ‘computer aided’ voorspellingen voor bepaalde eigenschappen de benodigde materialen identificeren en optimaliseren.
Links op de foto de thorium-mangaan kristalstructuur (ThMn12) met neodynium-atomen (blauwe bollen) die betere eigenschappen heeft dan de supermagneet, maar onstabiel is. Rechts de nieuwe, stabielere structuur (foto: Fraunhofer-IWM)