Zacht magnetische materialen (SMM's) toegepast in elektrische motoren zetten energie uit duurzame bronnen om in elektriciteit. Conventionele SMM's, die momenteel in de industrie worden gebruikt, zijn gevoelig voor beschadiging onder zware mechanische belastingen. Onderzoekers van het Max-Planck-Institut für Eisenforschung (MPIE), de Technische Universiteit van Darmstadt en de Central South University, China, hebben een nieuwe ontwerpstrategie ontwikkeld die de levensduur van SMM's verlengt en de weg vrijmaakt voor geavanceerde toepassingen zoals high-speed motoren. Ze publiceerden hun recente bevindingen in het tijdschrift Nature .

Introductie van nanodeeltjes voor meer sterkte en taaiheid

"Het huidige probleem waarmee we worden geconfronteerd bij conventionele zachtmagnetische materialen is de wisselwerking tussen magnetisch zacht zijn aan de ene kant en mechanisch sterk aan de andere kant", legt Liuliu Han, doctoraal onderzoeker bij de MPIE en eerste auteur van de publicatie uit. . Hogere sterkte in materialen wordt meestal bereikt door de implementatie van microstructurele kenmerken zoals neerslag en defecten. Volgens de stand van de techniek zal het inbrengen van deze nanodeeltjes in zachte magnetische materialen de beweging van de domeinwanden vastzetten en zo de magnetiserende kracht verminderen. De wetenschappers ontdekten dat de grootte van de nanodeeltjes een cruciale rol speelt voor zowel de mechanische sterkte en ductiliteit van de magneten als hun magnetisme.

"Tot nu toe werd aangenomen dat kleinere nanodeeltjes minder interactie hebben met de domeinwanden en daarom de voorkeur hebben. Het tegenovergestelde is echter waar. We hebben deeltjes geïmplementeerd die iets onder de domeinwandbreedte liggen. Deze verruwing betekent een kleiner specifiek oppervlak en verminderde het interne spanningsniveau zodat de magnetische eigenschappen niet werden aangetast", zegt Han.

Meercomponenten legeringssysteem voor geavanceerde zachte magneten

Het onderzoeksteam realiseerde dit ontwerpidee in een legeringssysteem met meerdere componenten, afgeleid van het concept van een hoge entropielegering, dat ijzer, nikkel, kobalt, tantaal en aluminium bevat met multifunctionele eigenschappen, wat niet gebruikelijk is voor conventionele zachte magneten die voornamelijk gericht zijn op zachtmagnetische eigenschappen. Bovendien zijn materialen op basis van het nieuwe legeringssysteem gemakkelijker te vervaardigen en hebben ze een langere levensduur dan de conventionele magnetische materialen.

"Met behulp van computerberekeningen en machine learning proberen we nu manieren te vinden om de kosten van de voorgestelde legering te verlagen door de hoeveelheid dure elementen, zoals kobalt, te verminderen en door alternatieven met vergelijkbare eigenschappen te vinden", zegt Dr. Fernando Maccari, postdoctoraal onderzoeker in de groep Functional Materials aan de TU Darmstadt en tweede auteur van de publicatie. Magnetische eigenschappen werden onderzocht aan de TU Darmstadt, terwijl het ontwerp van de samenstelling en de karakterisering van de legering werd gedaan aan de MPIE.

De hier gebruikte legeringssamenstelling dient als modelsysteem voor meercomponentenlegeringen. Het concept van het gebruik van legeringen met meerdere componenten is niet beperkt tot zachtmagnetische materialen, maar is toepasbaar op geavanceerde legeringen met nieuwe en ongebruikelijke combinaties van functionele en mechanische eigenschappen. + Verder verkennen

Een mechanisme voor het ontwerpen van legeringen met hoge entropie met verbeterde magnetische eigenschappen