NANO2021-Nanoteknologi og nye materiale

Det har blitt klart at økende bruk av teknologier med lavt karbonfotavtrykk er nødvendig for å opprettholde en bærekraftig og høy levestandard. Magnetiske materialer er viktige for effektiv produksjon, overføring og bruk av elektrisk energi. Permanentmagneter (PM) har en mengde teknologiske anvendelser og spiller en viktig rolle i denne sammenhengen. På mange områder brukes det i dag permanentmagneter basert på sjeldne jordarter (RE - rear earth (eng.)), siden det ikke var problemer med pris eller tilgjengelighet da disse ble tatt i bruk. Situasjonen har endret seg dramatisk de siste årene på grunn av økende monopol, særlig fra Kina med hensyn på tunge RE. Det er derfor påkrevd å finne alternativer. NEXMAGs var å utvikle permanentmagneter uten sjeldne jordarter som alternativ til kontroversielle Nd-Dy-Fe-B- magneter. Prosjektet fokuserte på utvikling av mangan-baserte nanokomposittmaterialer med et høyt energi produkt (BH)max. Til tross for bred utforskning på en-fase MnAl og MnBi de siste årene, er fortsatt mange grunnleggende spørsmål ubesvarte med det resultat at eksperimentelle verdier av (BH)max ikke når verdier som teorien forutsier. MnAl er utfordrende å syntetisere fordi materialet er en metastabil fase ved romtemperatur, som innebærer at den kun er termodynamisk stabil ved høyere temperaturer. Dette fører til at forsøk på å lage MnAl ofte resulterer i et materiale som ikke er rent nok. For å løse dette må man varme MnAl til høye temperaturer for deretter å kjøle ned hurtig slik at materialet fortsatt har de ønskede magnetiske egenskapene ved romtemperatur. Dette må gjøres under inerte forhold for å unngå oksidering. Utfordringen ligger i å optimalisere kjølehastigheten, som og avhenger sterkt av partikkelstørrelsen til pulveret man kjøler ned. Gjennom NEXMAG-prosjektet, utviklet vi en forenklet, skalerbar og pålitelig metode for å produsere 100 % rent tau-MnAlC med bruk av mekanisk legering kombinert med ett enkelt glødingstrinn. Denne syntesemetoden er av stor interesse for forskningsfeltet innen PM i form av å være en strømlinjeformet og repeterbar vei til en-fase tau-MnAlC som unngår bruk av mer kompliserte synteseteknikker. Arbeidet vårt inkluderer en beskrivelse av magnetiske egenskaper som viste lovende magnetisering og (BH)max og en mye høyere koersitivitet enn tidligere studier med lignende syntesevei. MnBI er tilsvarende vanskelig å syntetisere. Siden oppdagelsen i 1960, er det ikke utviklet noen praktisk syntesevei for MnBI, dette med bakgrunn i særegenhetene ved Mn-Bi fasediagrammet. Innen NEXMAG, har vi utviklet en syntesevei som tillater produksjon av opptil 90% faseren MnBi i relativt store kvanta opptil 10 gram. Syntetisert MnBi ble utforsket med tanke på å forbedre dens magnetiske ytelse enten ved mikrostrukturell raffinering med cryomølle eller ved å utforske kobling med bløte magnetiske faser. Gjentatte forsøk på dette, viste kun en liten økning i koersitivitet ved bruk av cryomølle og ingen signifikant økning i magnetisering eller (BH) max. Ytterligere forsøk innen NEXMAG ble gjennomført med det formål å forbedre den magnetiske ytelsen av MnAI produsert ved rapid solidification metoder. Melt spun MnAI-bånd ble raffinert mikrostrukturelt, ved bruk av mekaniske aktiveringsteknikker som cryomølle eller cold rolling. Disse to teknikkene ble også brukt for å produsere kompositter med en magnetisk bløtfase (FeCo) som også ble oppnådd ved rapid solidification methods. NEXMAG ble finansiert innen rammen av nettverket M-ERA.NET og gjennomført som et samarbeid mellom IFE i Norge, IMDEA Nanoscience i Spania og Institute of Physics, Slovak Academy of Sciences i Slovakia. Nettverket M-ERA.NET har anerkjent NEXMAG-prosjektet som et Success Case (https://m-era.net/links/success_story_brochure_2018).

It has become obvious over the years that an increased use of low carbon technologies is necessary to ensure a high living standard. Magnetic materials are important in the production, transmission and use of electrical energy. Permanent magnets (PMs), used in a multitude of technological applications, play a very important role in these efforts. Many nowadays applications traditionally use rare earth (RE)-based PMs, as no relevant problems in terms of availability or high and unstable pricing raised at the time of their implementation. The situation has dramatically changed in recent years due to the increased monopoly (mainly by China, in particular, on heavy REs) which has made mandatory searching for viable alternatives. RE-free PMs, constituted by non-critical elements would contribute to solve the EU dependency of REs. NEXMAG aims at developing RE-free PMs as alternative to controversial Nd-Dy-Fe-B magnets. The project will focus in the development of nanocomposite Manganese-based materials. Despite of single-phase MnAl and MnBi systems being extensively studied in recent years, many fundamental questions still remain unanswered, resulting in experimental (BH)max values (figure of merit for assessment of the magnetic quality) well below theoretical predictions.