DE102006022147B4

DE102006022147B4 - Verfahren und Verwendung einer Vorrichtung zur elektromagnetischen Modifizierung von magnetischen Materialien

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Publication number: DE102006022147B4
Application number: DE200610022147
Authority: DE
Inventors: Bernd Dr.-Ing. Halbedel; Uwe Dipl.-Ing. Krieger
Original assignee: Technische Universitaet Ilmenau
Current assignee: Technische Universitaet Ilmenau
Priority date: 2006-05-08
Filing date: 2006-05-08
Publication date: 2008-11-27
Anticipated expiration: 2026-05-09
Also published as: DE102006022147A1

Abstract

Verfahren zur elektromagnetischen Modifizierung von magnetischen Materialien, die aus fluidischen Phasen hergestellt werden, dadurch gekennzeichnet, dass ein inhomogenes magnetisches Feld beliebigen zeitlichen Verhaltens das Fluid durchdringt, die Verteilung der paramagnetischen Ionen in dem Fluid über die Größe des Feldgradienten und über dessen Richtung eingestellt wird und aus den so geschaffenen Vorordnungen der Ionen ein hinsichtlich seiner Eigenschaften maßgeschneidertes magnetisches Material kristallisiert wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und die Verwendung einer Vorrichtung zur elektromagnetischen Modifizierung von aus fluidischen Phasen hergestellten magnetischen Materialien – vorrangig eisenhaltige Glasschmelzen – mit einem inhomogenen magnetischen Feld geringer Intensität (<< 5 T) beliebigen zeitlichen Verhaltens, ohne in das Fluid elektrische Ströme über Elektrodensysteme einzuprägen oder mit Induktoren zu induzieren.
Zur elektromagnetischen Modifizierung von Materialien werden – ohne dass eine zusätzliche elektrische Stromdichte vorhanden sein muss – bekanntlich Magnetfelder hoher Intensität (> 5 T) für die Phasentransformation, Orientierung von Kristallen bzw. Veränderung des Kristallwachstums genutzt. Die erzielbaren Effekte beruhen auf den paramagnetischen Kraftwirkungen F →_p in einem homogenen Magnetfeld infolge vorhandener Konzentrationsunterschiede ∇C entsprechend Gl. (1)
wobei

X_m: – die magnetische Suszeptibilität der elektromagnetisch modifizierbaren Bereiche im Material,
μ₀: – die absolute Permeabilität,
B: – die magnetische Flussdichte des Magnetfeldes und
∇C: – den Konzentrationsgradienten bezeichnen.

Die paramagnetische Kraftwirkung F →p ist zwar quadratisch von der Größe der magnetischen Flussdichte abhängig, jedoch sind die Suszeptibilitäten und Konzentrationsunterschiede in Materialien und Fluiden gering, so dass Magnetfelder hoher Intensität (>> 5 T) erforderlich sind, um signifikante elektromagnetische Modifikationen hervorzurufen. Diese notwendigen hohen Feldintensitäten B müssen mit cryogenen Magnetsystemen realisiert werden. Des Weiteren ist die elektromagnetische Beeinflussung nur in relativ kleinen Volumina möglich. Die Nutzung erfolgt deshalb z. Z. ausschließlich in Forschungslaboratorien.
Ebenfalls sind bekannt, eine Vielzahl von Verfahren und Vorrichtungen (u. a. EP 0165 793 A2 , WO 88/05353 A1 , DE 6940395 T2 zur elektromagnetischen Beeinflussung von metallischen Fluiden mittels Induktorfeldern mit geringer Intensität. Hier wird eine elektrische Stromdichte in der Schmelze induziert und über die vektorielle Verknüpfung mit dem Induktorfeld eine Lorentzkraftverteilung erzeugt, die über die damit angeregte Strömung den Wärme- und Stoffaustausch im Fluid modifiziert. Voraussetzung dafür sind eine hinreichend große elektrische Leitfähigkeit des Fluids selbst (>> 100 S/m, vorzugsweise metallische Schmelzen um ca. 10⁶ S/m) und eine hinreichend große Eindringtiefe des Induktorfeldes in das Fluid. Damit ist jedoch die Höhe der nutzbaren Frequenzen eingeschränkt. Außerdem erwärmen die induzierten Ströme das Fluid und verändern dessen Enthalpie.
In dem Patent WO 2005008157 A2 , wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Homogenisierung von gering elektrisch leitfähigen Schmelzen – vorrangig Glasschmelzen – mittels zwei galvanisch getrennter, aber induktiv gekoppelter Induktoren beschrieben, die entgegengesetzt gerichtete, hochfrequente elektromagnetische Felder (0,1 MHz < f < 20 MHz) erzeugen, die auch die Schmelze durchdringen. Die elektromagnetische Kraftwirkung (Lorentzkraft), die sich aus der Wechselwirkung der in der Schmelze induzierten Wirbelströme und den sich überlagernden Induktorfeldern ergibt, erzeugt eine Veränderung der Geometrie der Schmelzoberfläche und eine intensive, turbulente Durchmischung, wodurch sich das Aufschmelzverhalten von eingebrachtem Glaspulver verbessert. Die Effekte können mit einer Phasenverschiebung der beiden Induktorsysteme von 20° bis 40° erzielt werden. Jedoch sind aufgrund der geringen elektrischen Leitfähigkeit von Glasschmelzen und der hohen Verluste sowie des hohen technischen Aufwands für die elektrische Stromversorgung des Induktorsystems die realisierbaren geometrischen Abmessungen des Schmelzaggregates stark eingeschränkt (Durchmesser des Ausführungsbeispiels ca. 10 cm). Ein weiterer Nachteil dieses Verfahrens besteht darin, dass ein kontinuierlicher Betrieb des Herstellungsverfahrens bisher nicht realisiert wurde.
In WO 0114268 A1 wird eine Methode und eine Vorrichtung zur Herstellung von farbigen Gläsern vorgeschlagen. Das zuvor konventionell aufgeschmolzene Glas wird einem Skulltiegel oder einer – rinne zugeführt, wo starke Konvektionsströmungen – erzeugt durch hohe Temperaturdifferenzen, die aus der induktiven Beheizung mittels eines hochfrequenten Wechselfeldes (Induktion von Wirbelströmen) und einer Wasserkühlung des Skulls resultieren – die färbenden Oxide schnell einmischen. Allerdings können die notwendigen hohen Temperaturen im Zentrum der Schmelze (bis zu > 2000°C) zu einem Reboiling der Schmelze und damit zu erheblichen Qualitätsverlusten der Gläser führen.
Bekannt sind auch Vorrichtungen und Verfahren (u. a. DE 10 2005 058 729 A1 , mit bzw. bei denen in gering elektrisch leitfähigen Fluiden elektrische Ströme über Elektrodensysteme eingeprägt werden, die mit einem extern generierten magnetischen Wechselfeld gleichen zeitlichen Verhaltens gekreuzt werden, so dass im Fluid Lorentzkräfte entstehen, die je nach Phasenlage von Elektrodenstrom und Magnetfeld die vorhandenen thermisch bedingten Strömungen verstärken, behindern und sogar umkehren können. Ein Nachteil dieses Verfahrens besteht darin, dass nur Veränderungen der Ionenverteilung bis zu ihrer Gleichverteilung über Strömungen möglich sind. Weiterhin werden durch die Notwendigkeit von Elektrodensystemen Fremdstoffe über die nicht vermeidbare Elektrodenkorrosion in das Fluid eingetragen.
Ebenfalls offenbart DE 30 41 960 C2 ein Verfahren zur Herstellung von Ferriten nach dem Glaskristallisationsverfahren, die für Magnetaufzeichnungen mit hoher Dichte geeignet sind. Dabei steht unter anderem die Synthese unterschiedlicher Ferrit-Typen in Abhängigkeit von der chemischen Zusammensetzung der Schmelze im Mittelpunkt. Die Beeinflussung der Synthese durch magnetisch determinierte Vorordnungen der paramagnetischen Ionen wird nicht beschrieben.
Des Weiteren sind Vorrichtungen zur Messung von elektrischen Kenngrößen ( DE 92 490 A ) und für medizinische Anwendungen zur Stimulation von Nerven ( DE 39 30 930 C1 ) bekannt, die inhomogene magnetische Felder zur Verbesserung der Wirkungen nutzen. Nach DE 92 490 A soll durch Konzentration der magnetischen Flussdichte mit einem armierten Hufeisenmagnet die Widerstandsmessung verbessert werden. In DE 39 30 930 C1 wird die Erzeugung eines kurzzeitigen, lokal begrenzten starken Magnetfeldimpulses (1 bis 2 T) angestrebt, um in Organismen auf Nervenenden bzw. Nervenbahnen örtlich begrenzte Aktionspotentiale auszulösen.
In DE 41 29 360 A1 wird darüber hinaus ein Verfahren vorgeschlagen, bei welchem ein sich räumlich und zeitlich änderndes magnetisches Feld zur autogenen Zerkleinerung von hartmagnetischen Materialien genutzt wird. Dieses inhomogene Magnetfeld wirkt auf die hartmagnetischen Materialien ein, die zuvor in einer separaten Magnetisierungsvorrichtung stochastisch aufmagnetisiert wurden und bewegt scheinbar chaotisch auf endlose Bahnen.
Elektromagnetische Modifizierungen von fluidischen Phasen und daraus hergestellten magnetischen Materialien auf Ionenebene mittels inhomogener magnetischer Felder geringer Intensität (<< 5 T), ohne in das Fluid elektrische Ströme über Elektrodensysteme einzuprägen oder mit Induktoren zu induzieren, sind nicht bekannt.
Modifizierungen von magnetischen Materialien sind aber zur maßgeschneiderten Anpassung ihrer Eigenschaften an verschiedene aktuelle Anwendungen erforderlich, wie z. B. als keramischer Dauermagnetwerkstoff, magnetische Aufzeichnungsmaterialien oder als Nanopartikel für Hyperthermie in der Medizin bis zu chemischen und elektromagnetischen Absorbermaterialien.
Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, ein Verfahren und die Verwendung einer Vorrichtung zur Modifizierung von aus fluidischen Phasen hergestellten magnetischen Materialien – vorrangig eisenhaltige Glasschmelzen – anzugeben, die es gestatten, ohne in das Fluid elektrische Ströme über Elektrodensysteme einzuprägen oder mittels Induktoren zu induzieren, in einem großen Fluidvolumen eine von der Richtung und dem Betrag des magnetischen Feldgradienten determinierte Verteilung der Ionen im Fluid zu realisieren, die während der Abkühlung des Fluides eine daraus folgende determinierte Modifizierung von Sekundärentmischungen und Kristallisation eines hinsichtlich seiner Eigenschaften maßgeschneidertes magnetisches Materials bewirkt.
Erfindungsgemäß gelingt die Lösung dieser Aufgabe mit den Merkmalen des ersten und zwölften Patentanspruches. Die Unteransprüche beschreiben vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
Erfindungsgemäß werden das Material oder die Ausgangsstoffe durch chemisches Lösen oder Schmelzen in eine fluidische Phase überführt und das Fluid in einem zur Feldlinienrichtung senkrecht sich verjüngenden Luftspalt eines Gleichfeld- oder Wechselfeldmagnetsystems angeordnet, so dass das Fluid von einem vorrangig in einer Richtung inhomogenen magnetischen Feld durchdrungen wird.
In einem inhomogenen Magnetfeld werden in Fluiden, unabhängig davon, welches zeitliche Verhalten das Magnetfeld aufweist und welche Konzentrationsverteilungen der Ionen im Fluid vorliegen, magnetische Inhomogenitätskräfte F_∇ gemäß Gl. (2) erzeugt.
Für die daraus folgende Inhomogenitätskraftdichte auf ein Ion mit dem Volumen V_I und mit der Anzahl von n Bohrschen Magnetonen μ_B in einer nichtmagnetischen Umgebung μ₀ gilt Gl. (3)
mit

n·μ_B: – Bohrsche Magnetone des Ions,
V_I: – Volumen des Ions.

Die Richtung der Inhomogenitätskraftdichte f →∇ wird durch die Richtung des Feldgradienten ∇B und ihr Betrag durch die Größe dieses Feldgradienten und der magnetischen Momentendichte des Ions (n·μ_B/V_I) festgelegt.
Daraus resultierend wirkt auf das Fluid eine zusätzliche Kraftdichte, die die Verteilung der Ionen in Abhängigkeit der Größe des Feldgradienten und seiner Richtung verändert. Mit diesen künstlich geschaffenen Vorordnungszuständen werden auch die bei der Abkühlung ablaufenden Phasenbildungen beeinflusst.
Die magnetische Inhomogenitätskraft F →p in Fluiden beeinflusst insbesondere die paramagnetischen Ionen, da diese eine große Anzahl Bohrscher Magnetone n·μ_B besitzen. Dazu zählen 3d- und/oder 4f-Ionen, wie z. B. Cr²⁺/Cr³⁺-; Fe²⁺/Fe³⁺-, Co²⁺/Co³⁺-, Ni²⁺-, ... oder Sm²⁺/Sm³⁺-Ionen. Jedes magnetisches Material enthält mindestens eine Art dieser Ionen.
In Fluiden, die z. B. Fe³⁺-Ionen (n = 5) enthalten, beträgt das Verhältnis der Inhomogenitätskraft zur Schwerkraft in einem inhomogenen Magnetfeld mit einem Feldgradienten dB/dz (z-Koordinate: kollinear aber entgegen zur Schwerkraft gerichtet) von 0,1 T/m bereits fünf, so dass damit entgegen der Schwerkraft und anderen im Fluid wirkenden Kräften (resultierend aus Diffusion und Konvektion) ein Konzentrationsgradient dieser Ionen realisiert werden kann. Diesem Effekt wirkt zwar die mit ∇C größer werdende paramagnetische Kraft F →p gemäß Gl. (1) entgegen, jedoch ist das Produkt aus magnetischer Flussdichte B und magnetischer Suszeptibilität X_m zu gering, um einen Ausgleich zu realisieren.
Der erforderliche Feldgradient ∇B wird zweckmäßig mit eisenbehafteten Magnetsystemen realisiert, die an den Polen adaptierbare, die Geometrie des Luftspaltes verändernde Polschuhe aufweisen, wie es exemplarisch in den Ausführungsbeispielen in 1 bis 4 dargestellt ist.
Es zeigen:
1 – einen Querschnitt der verwendeten Vorrichtung mit einem in Richtung der Schwerkraft wirkenden Feldgradienten ∇B, wobei das magnetische Feld mit einer auf dem Blechpaket sitzenden Erregerspule erzeugt wird,
2 – einen Querschnitt der verwendeten Vorrichtung mit einem entgegen der Schwerkraft wirkenden Feldgradienten ∇B, wobei das magnetische Feld mit einer auf dem Blechpaket sitzenden Erregerspule erzeugt wird,
3 – einen Querschnitt der verwendeten Vorrichtung mit einem in Richtung der Schwerkraft wirkenden Feldgradienten ∇B, wobei das magnetische Feld mit im Magnetkreis integrierten Permanentmagneten erzeugt wird,
4 – einen Querschnitt der verwendeten Vorrichtung mit einem in Richtung der Schwerkraft wirkenden Feldgradienten ∇B, wobei das magnetische Feld mit einem im Magnetkreis integrierten kompakten Hochtemperatursupraleiter, in dem zuvor ein magnetisches Feld eingefroren wurde, erzeugt wird
5 – Beispiel für die Synthese elektromagnetisch modifizierter Bariumhexaferrite mit der Glaskristallisationstechnik (schematisch)
6 – Temperaturverteilung in einer eisenhaltigen Schmelze mit der Sollzusammensetzung 40 mol-% BaO + 27 mol-% Fe₂O₃ + 33 mol-% B₂O₃ ohne und mit Magnetfeld bei einer Solltemperatur im Ofen von 1300°C
Zur elektromagnetischen Modifizierung von magnetischen Materialien kann eine Vorrichtung verwendet werden, bei der die Polschuhe in allen Darstellungen auswechselbar gestaltet sind, um mit einer Grundvariante des Magnetsystems verschiedene inhomogene Feldverteilungen erzeugen zu können. Beispielsweise können die Polschuhe so gestaltet werden, dass sie den Luftspalt in einer Richtung verjüngen (vgl. 1 bis 5).
Die geometrische Form der Polschuhe bestimmt die Größe und Verteilung der Flussdichte im Luftspalt. Zu ihrer vorherigen Bestimmung sind finite Elemente Methoden anzuwenden.
Die weitere Ausgestaltung der Polschuhe richtet sich nach bekannten Auslegungskriterien von Magnetkreisen.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist zum Beispiel für die maßgeschneiderte Herstellung von Ferriten mit der Glaskristallisationstechnik anwendbar.
Die Glaskristallisationstechnik unterteilt sich in mehrere Prozessabschnitte (s. 5).
Zunächst werden die Ausgangstoffe in einem Platin-Auslauftiegel bei 1350°C zwei Stunden geschmolzen. Während des Schmelzprozesses wirkt das inhomogene Magnetfeld mit dem Feldgradienten ∇B kollinear und entgegen zur Schwerkraft. Das Magnetfeld wird mit einem Elektromagneten erzeugt. Die Frequenz beträgt 50 Hz. Die Richtung des Magnetfeldgradienten ∇B ist durch die Form der Polschuhe vorgegeben. Die Größe des Produktes von B·∇B kann über die Höhe des Erregerstromes des Elektromagneten variiert werden.
Nach hinreichend großer Verweilzeit fließt die Schmelze tropfenweise aus. Die Schmelztropfen werden in der unmittelbar unter der Auslaufdüse positionierten Doppelwalzenanlage gequencht, d. h. mit einer sehr hohen Geschwindigkeit abgekühlt. Dabei entstehen röntgenamorphe Flakes. Diese Flakes werden in einem Laborofen oberhalb der Glastransformationstemperatur aber unterhalb der Schmelztemperatur getempert, wobei in den Flakes Bariumborate und Bariumhexaferrite entstehen. Diese mehrphasigen Flakes werden in Essigsäure gegeben. Während sich die essigsäurelöslichen Phasen (Borate) auflösen, bleiben die Ferrite bestehen. Abschließend werden die Ferrite aus der Essigsäurelösung separiert, gewaschen und getrocknet.
Die in der Schmelze mit dem Feldgradienten ∇B geschaffenen und dann in den Flakes eingefrorenen Vorordnungen der paramagnetischen Ionen bestimmen die Keimbildung und die Kristallisation.
Die Vorordnungen der paramagnetischen Ionen in der Schmelze sind durch die Größe und Richtung der magnetischen Inhomogenitätskräfte – generiert durch ∇B – determiniert beeinflussbar. Das zeigen durchgeführte Schmelzexperimente im ternären System BaO-B₂O₃-Fe₂O₃ ohne (Experiment 0) und mit Einwirkung eines inhomogenen magnetischen Wechselfeldes (Experiment I), das eine maximale magnetische Flussdichte von 44 mT, eine Frequenz von 50 Hz und einem Feldgradienten von bis zu ΔB/Δz = +150 mT/m über die Höhe der Schmelze besitzt. Die thermischen Randbedingungen der Schmelzprozeduren ohne und mit Magnetfeld sind identisch. Nach Abkühlung der Schmelzen auf Raumtemperatur wurden aus dem oberen und unteren Bereich des Schmelztiegels Proben entnommen und die sich darin gebildeten Hexaferritkristalle mit Essigsäure (2h/10% CH₃COOH) herausgelöst, separiert, gewaschen, getrocknet. Die Hexaferrite wurden nasschemisch bezüglich des Fe-Gehaltes bzw. des Fe²⁺/Fe³⁺-Verhältnisses, röntgenografisch bezüglich der Anteile an unterschiedlichen Kristallphasen und magnetisch bezüglich der magnetischen Eigenschaften (M_S-Sättigungsmagnetisierung, _JH_c-Koerzitivfeldstärke) analysiert.

Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 dargestellt. Tabelle 1 Vergleich der Eisenionenverteilung und der magnetischen Kennwerte in der erstarrten Schmelze der Sollzusammensetzung 40 mol-% BaO + 27 mol-% Fe₂O₃ + 33 mol-% B₂O₃ ohne und nach Einwirkung eines inhomogenen Magnetfeldes mit einer maximalen Flussdichte von B = 44 mT und einem Gradienten von ΔB/Δz = +150 mT/m kollinear, aber entgegen zur Schwerkraft

Schmelz-Experiment	Verhältnis der Eisenionenverteilung oben:unten		Magnetische Kennwerte
	^Fegesamt	Fe²⁺/Fe³⁺	M_S kA/m		_JH_c kA/m
	^Fegesamt	Fe²⁺/Fe³⁺	oben	unten	oben	unten
Experiment 0 (ohne Magnetfeld)	0,87	0,95	180	190	45	35
Experiment I (mit Magnetfeld)	1,08	1,41	265	325	22	11

In dem Fall des Experiments 0 (ohne Magnetfeld) befinden sich infolge der Schwerkraft etwa 13 wt-% mehr Eisenionen im unteren Bereich der Schmelze. Das Valenzverhältnis Fe²⁺/Fe³⁺ ist in der Schmelze oben und unten annähernd gleich.
Bei Einwirkung des beschriebenen inhomogenen Magnetfeldes (Experiment I) wird die Eisenionenverteilung aufgrund der auf die Eisenionen wirkenden Inhomogenitätskräfte entgegen der Schwerkraft verschoben. Gleichzeitig findet eine Änderung der Redoxverhältnisse statt – ohne dass sich die Temperatur in der Schmelze ändert (s. 6).
Weiterhin werden die daraus während der Abkühlung der Schmelze entstehenden Ferrit-Typen modifiziert. Die M-Typ-Anteile (BaFe₁₂O₁₉), in denen Eisen nur 3-wertig vorliegt, werden reduziert und die W-Typ-Anteile (BaFe₁₈O₂₇), in denen das Fe²⁺/Fe³⁺-Verhältnis 13 wt-% beträgt, steigen an.
Die Experimente zeigen die Manipulierbarkeit der Ionenverteilung in eisenhaltigen Schmelzen in einem inhomogenen Magnetfeld geringer Intensität in Abhängigkeit der Richtung des Feldgradienten. Es entstehen Materialien mit anderen chemischen Zusammensetzungsverhältnissen und magnetischen Eigenschaften, ohne das die thermodynamischen Verhältnisse (Temperatur, Heizraten, Haltedauer) und/oder die Sollzusammensetzung der Schmelze verändert wurden. Diese elektromagnetische Modifizierung ist ebenso für Synthesen von Ferriten, deren Eisenionen partiell substituiert werden sollen, nutzbar. Das sind zum Beispiel Hexaferrite mit der chemischen Zusammensetzung MeA^II _XB^IV _YFe_12-X-YO₁₉, MeA^II _UC^III _VFe_18-U-VO₂₇, Me₂A^II _RC^III _SFe_12-R-SO₂₂ oder Me₃A^IIOC^III _PFe_24-O-PO₄₁ mit für Me vorzugsweise Ba²⁺, Sr²⁺ oder Ca²⁺, für A^II vorzugsweise Mn²⁺, Co²⁺, Ni²⁺ oder Zn²⁺, für B^IV vorzugsweise Ti⁴⁺ oder Ru⁴⁺ sowie für C^III vorzugsweise Ga³⁺, In³⁺, Al³⁺ oder Cr³⁺ Die magnetischen Inhomogenitätskräfte verändern die Verteilung der Ionen und das Fe²⁺/Fe³⁺ in den Schmelzen zusätzlich und unabhängig von den anderen Prozessparametern (Schmelztemperatur, Haltezeit, Atmosphäre). Dadurch werden in der Schmelze Vorordnungen der Ionen geschaffen, die bei der gesteuerten bottom-up Kristallisation der unterkühlten Schmelzen solche Kationenverteilungen in den Untergittern der Bariumhexaferritkristalle realisieren, die bei etwa konstant bleibender Sättigungsmagnetisierung M_S entscheidend geringere Koerzitivfeldstärken _JH_C und somit wesentlich kleinere intrinsische Anisotropien bewirken. Solche weiterhin hexagonalen, aber dotierten Ferrite sind aufgrund ihrer in einem weiten Bereich modifizierbaren Eigenschaften für verschiedene Applikationen interessant.
Die Anwendungspotentiale maßgeschneidert modifizierter magnetischer Materialien reichen von der bekannten Anwendung als keramischer Dauermagnetwerkstoff, über magnetische Aufzeichnungsmaterialien, Hyperthermie in der Medizin bis zu chemischen und elektromagnetischen Absorbermaterialien.
Die maßgeschneiderte Modifizierung von magnetischen Materialien mit einem inhomogenen magnetischen Feld geringer Intensität (<< 5 T) beliebigen zeitlichen Verhaltens ist auf alle bottom-up Synthesen aus fluidischen Zuständen (Fällung, Sol-Gel-Methoden, u. a. nasschemische Verfahren) anwendbar.
Des Weiteren können entmischte Fluide (Lösungen, Schmelzen), die paramagnetische Ionen enthalten, berührungslos und ohne Änderung der Enthalpie modifiziert werden.
Ebenso sind besonders Ionenverteilungen in Fluiden, die durch die Schwerkraft determiniert werden, veränderbar, in dem die Richtung des Feldgradienten kollinear zur Schwerkraft – entgegen oder gleichgerichtet, eingestellt wird.

1: Magnetsystem
2: Schmelzkanal
3: auswechselbarer Polschuh
4: Fluid (Glasschmelze)
5: magnetische Feldlinien (prinzipieller Verlauf)
6a: Erregerspule
6b: Permanentmagnet
6c: thermische Isolation
6d: Hochtemperatursupraleiter mit eingefrorenem Magnetfeld
B: magnetische Flussdichte des Magnetfeldes
∇B: Feldgradient
∇C: Konzentrationsgradient eines Elementes/Ions im Material/Fluid
F →p: paramagnetische Kraft
F_∇: Inhomogenitätskraft
f →∇: Inhomogenitätskraftdichte
g →: Erdbeschleunigung
z: Koordinate kollinear zur Schwerkraft
X_m: magnetische Suszeptibilität der elektromagnetisch modifizierbaren Bereiche im Material/Fluid
μ₀: absolute Permeabilität
ϑ_M: Temperatur in der Schmelze

Claims

Verfahren zur elektromagnetischen Modifizierung von magnetischen Materialien, die aus fluidischen Phasen hergestellt werden, dadurch gekennzeichnet, dass ein inhomogenes magnetisches Feld beliebigen zeitlichen Verhaltens das Fluid durchdringt, die Verteilung der paramagnetischen Ionen in dem Fluid über die Größe des Feldgradienten und über dessen Richtung eingestellt wird und aus den so geschaffenen Vorordnungen der Ionen ein hinsichtlich seiner Eigenschaften maßgeschneidertes magnetisches Material kristallisiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetfeld ein inhomogenes Gleichfeld ist.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetfeld ein inhomogenes Wechselfeld ist.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass der Feldgradient kollinear zur Schwerkraft wirkt.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass das Produkt aus dem Feldgradienten und der magnetischen Flussdichte des inhomogenen Magnetfeldes so groß ist, dass die Inhomogenitätskraft gegenüber allen im Fluid auf die zu modifizierenden Ionen wirkenden Kräfte überwiegt.
Verfahren nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, dass das Produkt aus dem Feldgradienten und der magnetischen Flussdichte über die Größe der Erregerströme des Elektromagneten während des Prozesses gesteuert wird.
Verfahren zur elektromagnetischen Modifizierung nach Anspruch 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass die magnetischen Materialien Ferrite sind, mit der Glaskristallisationstechnik hergestellt, und dass ihre Ausgangsmaterialien durch chemisches Lösen oder Schmelzen in fluidische Phasen überführt werden.
Verfahren zur elektromagnetischen Modifizierung nach Anspruch 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass mit dem einwirkenden inhomogenen Magnetfeld die Eisenionenverteilung im Fluid verändert wird, so dass sich bei der Kristallisation die Ferrittypanteile maßgeschneidert verändern.
Verfahren zur elektromagnetischen Modifizierung nach Anspruch 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass mit dem einwirkenden inhomogenen Magnetfeld die Verteilung anderer paramagnetischer Nichteisenionen, die aus den dem Fluid zugegebenen Metalloxiden resultieren, verändert werden, so dass bei der Kristallisation die Ferrite maßgeschneidert substituiert werden.
Verfahren zur elektromagnetischen Modifizierung nach Anspruch 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass mit dem einwirkenden inhomogenen Magnetfeld die durch die Schwerkraft determinierte Verteilung paramagnetischer Ionen im Fluid kollinear zur Schwerkraft verändert wird.
Verfahren zur elektromagnetischen Modifizierung nach Anspruch 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass entmischte Fluide, die paramagnetische Ionen enthalten, berührungslos und ohne Änderung der Enthalpie modifiziert werden.
Verwendung einer Vorrichtung, die ein Magnetsystem zur Erzeugung eines vorrangig in einer Richtung inhomogenen Magnetfeldes mit einem zur Hauptflussrichtung des magnetischen Feldes senkrecht sich verjüngenden Luftspalt, in dem sich das Fluid befindet, aufweist, zur elektromagnetischen Modifizierung von aus fluidischen Phasen hergestellten magnetischen Materialien.
Verwendung einer Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei das Magnetsystem ein Elektromagnet ist, der zur Führung des magnetischen Feldes aus einem hufeisenförmigen Blechpaket besteht, auf dem eine oder mehrere Spulen zur Erzeugung des magnetisches Feldes angeordnet sind, die von einem Wechselstrom beliebigen zeitlichen Verlaufes oder von einem Gleichstrom durchflossen werden, zur elektromagnetischen Modifizierung von aus fluidischen Phasen hergestellten magnetischen Materialien.
Verwendung einer Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei das Magnetsystem zur Führung des magnetischen Feldes aus einem hufeisenförmigen Blechpaket besteht, in dem zur Erzeugung des magnetisches Feldes ein Permanentmagnet integriert ist, zur elektromagnetischen Modifizierung von aus fluidischen Phasen hergestellten magnetischen Materialien.
Verwendung einer Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei das Magnetsystem zur Führung des magnetischen Feldes aus einem hufeisenförmigen Blechpaket besteht, in dem zur Erzeugung des magnetisches Feldes ein Hochtemperatursupraleiter integriert ist, in dem zuvor ein magnetisches Feld eingefroren worden ist, zur elektromagnetischen Modifizierung von aus fluidischen Phasen hergestellten magnetischen Materialien.
Verwendung einer Vorrichtung nach Anspruch 12 bis 15, wobei das Blechpaket mit Polschuhen zur Realisierung der Verjüngung des Luftspaltes ausgestattet ist, die auswechselbar sind, zur elektromagnetischen Modifizierung von aus fluidischen Phasen hergestellten magnetischen Materialien.