EP2984658A1 - Anisotroper seltenerdfreier matrixgebundener hochperformanter permanentmagnet mit nanokristalliner struktur und verfahren zu dessen herstellung - Google Patents

Anisotroper seltenerdfreier matrixgebundener hochperformanter permanentmagnet mit nanokristalliner struktur und verfahren zu dessen herstellung

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EP2984658A1
EP2984658A1 EP14728860.9A EP14728860A EP2984658A1 EP 2984658 A1 EP2984658 A1 EP 2984658A1 EP 14728860 A EP14728860 A EP 14728860A EP 2984658 A1 EP2984658 A1 EP 2984658A1
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EP
European Patent Office
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nanoparticles
matrix
magnetic
coating
deposition
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP14728860.9A
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French (fr)
Inventor
Caroline Cassignol
Michael Krispin
Inga ZINS
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Publication date
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    • H01F41/00—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing or assembling magnets, inductances or transformers; Apparatus or processes specially adapted for manufacturing materials characterised by their magnetic properties
    • H01F41/02—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing or assembling magnets, inductances or transformers; Apparatus or processes specially adapted for manufacturing materials characterised by their magnetic properties for manufacturing cores, coils, or magnets
    • H01F41/0253—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing or assembling magnets, inductances or transformers; Apparatus or processes specially adapted for manufacturing materials characterised by their magnetic properties for manufacturing cores, coils, or magnets for manufacturing permanent magnets
    • H01F41/0273—Imparting anisotropy

Definitions

  • Anisotropic rare earth-free matrix-bonded high-performance permanent magnet with nanocrystalline structure and method for its production isotropic rare earth-free matrix-bonded high-performance permanent magnet with nanocrystalline structure and method for its production
  • the invention relates to a method according to the main claim and a corresponding product.
  • rare earths Due to supply risks and high prices for rare earths, new rare earth-free solutions for the production of permanent magnets are being sought. Rare earths are used in particular for the production of permanent magnets. Conventional rare earth-free permanent magnet materials have an energy density which is too low for high-tech applications, for example using iron, cobalt, nickel or ferrites, or are too expensive from an economic point of view, such as FePt.
  • the permanent magnetic properties of magnetic materials are determined decisively by the microstructure or the microstructure in addition to the alloy composition. According to the micromagnetic theory as well as on the basis of experimental findings, it is known that high coercive field strengths can be achieved by a microstructural structure of single-domain, nano-scale structures. This enables the construction of a rare earth-free high-performance magnet made of nanoscale magnetic components. New nano-technological synthetic methods allow monocrystalline one-domain magnetic nanoparticles to be produced by combining shape and crystal anisotropy.
  • the magnetic nanoparticles In order to build up a macroscopic magnet, the magnetic nanoparticles must be embedded in organic or inorganic insulating matrices in order to protect them against environmental influences and the resulting corrosion processes as well as to produce permanent magnets with corresponding mechanical, electrical and thermal properties.
  • a high electrical resistance is advantageous for the reduction of eddy currents.
  • the resulting high-performance magnets can be used advantageously in high-efficiency drives and generators.
  • Conventional permanent magnets are produced for example by means of a sintering technique (1) or by means of a plastic bond (2).
  • the conventional method of sintering technology enables production of anisotropic magnets by means of alignment of powder particles in the magnetic field before a pressing and sintering process.
  • the coercivity is limited due to the microcrystalline grain size, which is in the range of a few ym, and must be compensated by alloying very expensive and scarce heavy rare earth metals such as Dy or Tb. Due to the unfavorable temperature coefficient of the coercive field, this proportion must be additionally increased, the higher the working temperature. The heating of the magnet due to eddy current losses thus requires the use of a larger proportion of expensive heavy rare earth metals.
  • plastic-bonded magnets are conventionally also produced.
  • a mixture which can also be called a compound is generated from the highest possible proportion of magnetic particles and the matrix.
  • the mixture is then processed by injection molding, which is also called injection molding, which allows for a magnetic component of up to 60 vol%, or compression molding, which is called compression molding and allows up to 80% by volume of magnetic component, to form a volume magnet.
  • injection molding which is also called injection molding, which allows for a magnetic component of up to 60 vol%, or compression molding, which is called compression molding and allows up to 80% by volume of magnetic component, to form a volume magnet.
  • compression molding which is called compression molding and allows up to 80% by volume of magnetic component
  • nanocomposite formulations which may also be referred to as a compound
  • a matrix for the production of nanocomposite formulations, which may also be referred to as a compound, by embedding nanoparticles in a matrix, conventionally no high fill levels are required. On the contrary, due to the difficult processing, it is traditionally attempted to maximize the effect at a minimum
  • Nanoparticles in an organic matrix reaches a filling level of up to 15 vol%. Since high fill levels are required for high-performance permanent magnets, use of such conventional standard methods is not expedient for magnets based on nanoparticles.
  • WO 2013/010173 A1 discloses a nanostructured magnetic alloy composition used to make magnetic nanocomposite material for permanent magnets for electromechanical and electronic devices and comprising an iron-nickel alloy.
  • CN 102610346A discloses a rare earth-free nanocomposite permanent magnetic material comprising alloys of manganese, aluminum, bismuth and aluminum with manganese, aluminum and bismuth producing permanent magnetic phase and an alpha-iron-forming soft magnetic phase.
  • magnetically and electrically optimized volume magnets are to be able to be produced, which in particular fulfill the following criteria: a high degree of filling, a homogeneous particle distribution with parallel alignment along the magnetic axis, a stationary binding of the magnetic particles after orientation like a magnetic and electrical decoupling.
  • a manufacturing process management should handle a large surface-to-surface ratio of nanoparticles. The object is achieved by a method according to the main claim and a product according to the independent claim.
  • a method for producing a permanent magnet is proposed with the following steps: synthesizing rare earth-free ferromagnetic anisotropic nanoparticles; coating the synthesized nanoparticles with a matrix by physical or physical-chemical deposition; Orientation and shaping of the matrix-coated nanoparticles introduced into an external magnetic field and into a mold.
  • a permanent magnet which has been produced by means of a method according to the main claim.
  • ferromagnetic means a very large permeability number and having a positive magnetic susceptibility and significantly enhancing a magnetic field.
  • Anisotropic means in particular a direction-dependent property, in particular magnetic property, having.
  • Nanoparticles have dimensions that are nanoscale and in particular enforce a one-domain behavior and are one-crystalline.
  • the invention involves the construction of a rare earth permanent magnet whose magnetic properties, such as magnetization, coercive force and energy product, surpass those of conventional rare earth permanent magnets.
  • the improvement in the magnetic properties of the rare earth free magnets proposed here allows replacement to be used conventionally rare earth based permanent magnets in electric motors and generators too.
  • the magnet is made of nanoscale
  • Eindomänenteilchen which can also be referred to as nanoparticles constructed.
  • This magnetically optimized microstructure maximizes the coercive field to be achieved and also allows a large magnetization by means of a suitable choice of material.
  • An advantageously thin matrix layer is deposited on the magnetic nanoparticles. The thickness of the matrix layer is in particular in the nanometer range.
  • the deposition of a matrix by means of laser ablation, atomic layer deposition, chemical vapor deposition, ion beam deposition, molecular beam epitaxy or electron beam evaporation can take place, for example by means of physical vapor deposition, in particular laser ablation, ion beam-assisted disposition (also sputtering), molecular beam epitaxy, electron beam evaporation, chemical vapor deposition, in particular atomic layer deposition, plasma assisted deposition, at atmospheric pressure or low pressure, or thermal spraying.
  • the matrix may consist of organic material, in particular a plastic.
  • the plastic may be a thermoplastic or a thermosetting plastic.
  • the plastic may be polyphenylsulfide, a polyamide or an epoxide.
  • ferromagnetic anisotropic nanoparticles can be industrially simple be synthesized.
  • Anisotropy is particularly in terms of shape or crystal structure.
  • the nanoparticles may have a core or a core / shell structure and optionally cumulatively a protective cover.
  • the shell can be soft magnetic.
  • the protective cover which is as thin as possible, especially in the nanometer range, protects the nanoparticles against corrosion and oxidation.
  • the shell reduces the agglomeration of the individual particles, which on the one hand reduces unfavorable contacts between the particles for the coercive field and, on the other hand, increases the anisotropy of the volume magnet to be achieved.
  • the protective cover may for example consist of C and / or SiO 2.
  • these can be spatially distributed by means of a distribution device, in particular a fluidized bed.
  • the synthesized nanoparticles after coating of the synthesized nanoparticles, they may be present in powder form.
  • the orientation and shaping can be performed simultaneously.
  • the matrix coatings may solidify or harden or form a crosslinked or polymerized matrix coating.
  • the solidification or hardening can be activated, in particular thermally activated.
  • the nanoparticles Co, Fe, Ni or Mn have.
  • the nanoparticles can be synthesized wet-chemically, from the gas phase or by means of Millings.
  • the core of a soft magnetic and the shell may consist of a hard magnetic material, or be formed vice versa.
  • the protective layer may consist of carbon and be produced by means of storage of the nanoparticles for a period of a few hours and temperatures in the range of about 250 ° C to 350 ° C in an organic liquid.
  • the protective layer can consist of silicon dioxide and be produced by means of hydrolysis and polycondensation of silane bonds in a polar solvent.
  • Figure 1 shows a first embodiment according to the invention ver used nanoscale magnetic components
  • FIG. 2 shows a second embodiment of nano-scale magnetic components used according to the invention
  • Figure 3 shows an embodiment of an inventive
  • FIG. 4 shows a further embodiment of a method according to the invention
  • Figure 5 shows an embodiment of an inventive
  • FIG. 1 shows an exemplary embodiment of nanoscale magnetic components 1 according to the invention.
  • ferromagnetic anisotropic nanoparticles 1 are synthesized by means of suitable, for example, wet-chemical synthesis methods, which have a high magnetization and coercive field strength. These particles may be, for example, Co, Fe, Ni, Mn-based.
  • a core / shell structure is possible, wherein a core of a soft magnetic material and a shell may consist of a heartmag genetic material.
  • Figure 1 shows a length L of nano-particles ⁇ 1000 nm, wherein a thickness D is smaller than the length L and the ratio L: D is approximately between 5: 1 to 100: 1.
  • the arrow inside the magnetic module indicates a preferred magnetic direction.
  • FIG. 2 shows a further exemplary embodiment of nanoscale magnetic components or nanoparticles 1 used according to the invention.
  • each nanoparticle is or is additionally provided with a nanoparticle
  • these nanoscale magnetic components or nanoparticles 1 can be provided with a thin protective layer, for example of carbon or silica. These are these nanoscale magnetic components, for example, either by storage for several hours at high temperature, for example at temperatures between 250 ° C and 350 ° C, coated in an organic liquid with carbon or by hydrolysis and polycondensation of silane compounds in a polar solvent with SiC> 2 coated. For example, silane bonds can be used
  • APS Aminopropylsilane
  • TEOS tetraethyl orthosilicate
  • Formation of agglomerates by reducing the strength of a magnetic interaction The formation of agglomerates has a negative influence on the magnetic properties to be achieved.
  • FIG. 3 shows an exemplary embodiment of a method according to the invention.
  • FIG. 3 shows a coating method of the magnetic components according to FIG. 1 or FIG. 2 with a matrix, which consists in particular of plastic.
  • a matrix which consists in particular of plastic.
  • sintering methods which are conventionally used in rare earth-based magnets are not suitable for the production of bulk magnets from protective nanoparticles 1, since the nanoscale structure is destroyed due to the high thermal energy input.
  • further processing by embedding in a matrix 3 at suitable temperatures is proposed.
  • isolated magnetic components according to FIG. 1 or FIG. 2, which are nanoparticles 1 are coated with a matrix in a fluidized bed and further processed.
  • a protective sheath-containing nanoparticles 1 are coated, preferably in an inert gas atmosphere, by means of a physical or physical-chemical deposition method A with a suitable, in particular thermoplastic, matrix.
  • Suitable deposition methods A are, for example, laser ablation (PLD, LA), atomic layer deposition (ALD), chemical vapor deposition (CVD), ion beam-assisted disposition (sputtering), molecular beam epitaxy (MBE) or electron beam evaporation.
  • comparable Procedures are basically possible as well.
  • PPS polyphenylene sulfide
  • PA polyamide
  • a PPS or PA target or target can be selected for the laser ablation, so that according to the invention a very thin matrix layer in the nanometer range of the corresponding material can be deposited on the surface of the nanoparticles or magnetic components.
  • the degree of filling can be effectively increased because the degree of filling is inversely proportional to the layer thickness.
  • the magnetic nanoparticles 1 are finely distributed during the process or the process. This can be realized for example by means of a fluidized bed. After the coating process, a powder of isolated matrix-coated magnetic nanoparticles 5 is obtained.
  • the nanoscale magnetic components or nanoscale magnetic particles or nanoparticles 1 are coated with a matrix material 3, so that the nanoparticles 5 produced are completely encased by a thin matrix layer.
  • FIG. 4 shows further method steps of a method according to the invention.
  • the powder consisting of matrix-coated magnetic nanoparticles 5 is transferred to a mold, this is shown in FIG. 4 on the left-hand side, and corresponding to the right-hand illustration in FIG. 4 under an external, for example, magnetic field M, preferably transversely to FIG a pressing direction of a pressure P oriented and pressed.
  • Used pressures P are in a range of several MPa to GPa.
  • solidification or hardening of the matrix 3 is activated thermally or chemically. The result is bulk specimens with a high degree of filling of oriented, homogeneously distributed magnetic nanoparticles in a matrix.
  • FIG. 4 shows a compacting according to the invention of the coated nanoparticles 5 in the magnetic field M.
  • FIG. 4 shows concluding process steps for the production of a volume magnet.
  • FIG. 5 shows an exemplary embodiment of a permanent magnet PM according to the invention.
  • FIG. 5 shows an anisotropic plastic-bonded volume magnet, which consists of nanoscale magnetic components 1.
  • the physical or physicochemical deposition method A claimed in the invention for coating and embedding magnetic nanoparticles 1 in a matrix 3 with subsequent compaction and curing in the magnetic field M leads to the greatest possible filling factor combined with homogeneous distribution and almost complete orientation in order to obtain the best possible magnetic field. to achieve table properties. This is in contrast to conventional methods of embedding nanostructures that are optimized only for lower fill factors.
  • Another advantage of the embedding in a matrix 3 according to the invention lies in the low processing temperature in comparison to conventional sintering methods. Thus, from the magnetic point of view, unfavorable particle growth is avoided according to the invention.
  • a method according to the invention makes it possible to produce close to the final shape, which can also be referred to as a near net shape.
  • the matrix coating performs three functions, firstly the connection of the individual nanomagnets or nanoparticles to a volume magnet, secondly the avoidance of direct contact of the individual nanomagnets, that is to say the magnetic insulation is formed and, thirdly, an electrical insulation for the suppression of eddy currents.
  • the invention relates to a method for producing a permanent magnet PM, by means of a physical or physical-chemical deposition A performed coating of synthesized nanoparticles 1 with a tikstoffgebun which matrix 3 and orienting and shaping the introduced into a ex-far magnetic field M and in a form matrix-coated nanoparticles 5. High degrees of filling can be obtained in this way.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Permanentmagneten (PM), mittels eines physikalischen oder physikalisch-chemischen Abscheidens (A) ausgeführtes Beschichten von synthetisierten Nanopartikel (1) mit einer Matrix (3) sowie Orientieren und Formgeben der in ein externes Kraftfeld (M) und in eine Form eingebrachten matrixbeschichteten Nanopartikel (5). Auf diese Weise können hohe Füllgrade erhalten werden.

Description

Patentanmeldung
Anisotroper seltenerdfreier matrixgebundener hochperformanter Permanentmagnet mit nanokristalliner Struktur und Verfahren zu dessen Herstellung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Hauptanspruch und ein entsprechendes Erzeugnis.
Aufgrund von Versorgungsrisiken und hoher Preise bei den seltenen Erden werden neue seltenerdfreie Lösungen zur Herstellung von Permanentmagneten gesucht. Seltene Erden werden insbesondere zur Herstellung von Permanentmagneten verwendet. Herkömmliche seltenerdfreie Permanentmagnetwerkstoffe zeigen eine für High-Tech-Anwendungen zu geringe Energiedichte auf, beispielsweise unter Verwendung von Eisen, Kobalt, Nickel oder Ferriten, beziehungsweise sind aus wirtschaftlichen Gesichtspunkten zu teuer, wie es beispielsweise FePt ist.
Die dauermagnetischen Eigenschaften von Magnetmaterialien werden neben der Legierungszusammensetzung entscheidend durch das Gefüge beziehungsweise die Mikrostruktur bestimmt. Entsprechend der Mikromagnetischen Theorie sowie aufgrund von experimentellen Befunden ist es bekannt, dass durch einen mikrostrukturellen Aufbau aus ein-domänigen, nano-skaligen Strukturen hohe Koerzitivfeidstärken erzielt werden können. Dies ermöglicht den Aufbau eines seltenerdfreien Hochleistungsmagneten aus nanoskaligen Magnetbausteinen. Neue nano- technologische Syntheseverfahren ermöglichen monokristalline eindomänige magnetische Nanopartikel mit einer Kombination von Form- und Kristallanisotropie herzustellen. Zum Aufbau eines makroskopischen Magneten müssen die magnetischen Nanopartikel in organischen oder anorganischen isolierenden Matrizen eingebettet werden, um diese sowohl gegen Umwelteinflüsse und daraus entstehende Korrosionsvorgänge zu schützen als auch Dauermagneten mit entsprechenden mechanischen, elektrischen und thermischen Eigenschaften herzustellen. Insbesondere ist ein hoher elektrischer Widerstand vorteilhaft zur Reduzierung von Wirbelströmen. Die daraus entstehenden Hochleistungsmagneten können sich vorteilhaft in hocheffizienten Antrieben und Generatoren einsetzen lassen.
Für eine Herstellung dieser magnetisch und elektrisch optimierten Volumenmagneten muss eine Vielzahl von Kriterien erfüllt sein.
Herkömmliche Permanentmagneten werden beispielsweise mittels einer Sintertechnik (1) oder mittels einer Kunststoffbindung (2) hergestellt.
Das herkömmliche Verfahren der Sintertechnik ermöglicht eine Herstellung anisotroper Magnete mittels Ausrichtung von Pulverteilchen im Magnetfeld vor einem Press- und Sintervorgang. Für die so hergestellten seltenerdbasierten Magneten ist die Koerzitivfeidstärke infolge der mikrokristallinen Korngröße, die im Bereich von einigen ym liegt, begrenzt und muss durch Zulegierung von sehr teuren und knappen schweren Seltenerdmetallen wie Dy oder Tb ausgeglichen werden. Aufgrund des ungünstigen Temperaturkoeffizienten des Koerzitivfeldes muss dieser Anteil zusätzlich erhöht werden, je größer die Arbeitstemperatur ist. Die Erwärmung des Magneten infolge von Wirbelstromverlusten erfordert demnach den Einsatz eines größeren Anteils an teuren schweren Seltenerdmetallen. Alternativ zu diesem sogenannten Sintermagneten werden herkömmlicherweise ebenso kunststoffgebundene Magneten hergestellt. Hierfür werden mehrere zehn bis mehrere hundert Mikrometer große magnetische Partikel auf Basis seltener Erden in eine duroplastische oder thermoplastische Matrix eingebettet. Dabei wird ein Gemisch, das ebenso Compound genannt werden kann, aus einem möglichst hohen Anteil an magnetischen Partikeln und der Matrix erzeugt. Das Gemisch wird anschließend mittels Spritzgießen, das auch injection molding genannt wird, was zu einem Magnetanteil von bis zu 60 vol% ermöglicht, oder Formpressen, das compression molding bezeichnet wird und bis zu 80 vol% Magnetanteil ermöglicht, zu einem Volumenmagnet verarbeitet. Im Vergleich zu den vorstehend be- schriebenen Sintermagneten ist die magnetische Energiedichte von kunststoffgebundenen Magneten aufgrund der Verdünnung durch die verwendete Matrix reduziert.
Für die Herstellung von Nanokomposite-Formulierungen, die ebenso als Compound bezeichnet werden können, durch die Einbettung von Nanopartikeln in eine Matrix sind herkömmlicherweise keine hohen Füllgrade erforderlich. Aufgrund der schwierigen Verarbeitung wird im Gegenteil herkömmlicherweise versucht, den maximalen Effekt bei minimaler
Nanopartikelmenge zu erreichen. Beispielsweise wird herkömmlicherweise für Kohlenstoffnanoröhrchen oder SiC>2_
Nanopartikel in einer organischen Matrix ein Füllgrad von bis zu 15 vol% erreicht. Da für hochperformante Permanentmagnete hohe Füllgrade erforderlich sind, ist eine Verwendung derartiger herkömmlicher Standardverfahren nicht für Magneten auf Basis von Nanopartikeln zielführend.
Die WO 2013/010173 AI offenbart eine nanostrukturierte magnetische Legierungszusammensetzung, die zur Herstellung von magnetischem Nanokompositmaterial für Permanentmagnete für elektromechanische und elektronische Vorrichtungen verwendet wird und eine Eisen-Nickel-Legierung aufweist.
Die CN 102610346A offenbart ein seltenerdfreies nanokomposit- permanentmagnetisches Material, das Legierungen mit Mangan, Aluminium, Bismut und Aluminium mit Mangan, Aluminium und Bismut erzeugender permanentmagnetischer Phase und eine Alphaeisen erzeugende weichmagnetische Phase aufweist.
Es ist Aufgabe der Erfindung hochwirksame Permanentmagnete mit nanokristalliner Struktur auf einfache Weise zuverlässig herzustellen. Es sollen insbesondere magnetisch und elektrisch optimierte Volumenmagnete hergestellt werden können, die insbesondere folgende Kriterien erfüllen: einen hohen Füllgrad, eine homogene Partikelverteilung mit paralleler Ausrichtung entlang der magnetischen Achse, eine ortsfeste Bindung der magnetischen Partikel nach einer Ausrichtung so- wie eine magnetische und elektrische Entkopplung. Insbesondere soll eine Herstellungsprozessführung ein großes Oberflä- chen-zu- olumen- erhältnis von Nanopartikeln bewältigen. Die Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß dem Hauptanspruch und ein Erzeugnis gemäß dem Nebenanspruch gelöst.
Gemäß einem ersten Aspekt wird ein Verfahren zur Herstellung eines Permanentmagneten mit den folgenden Schritten vorge- schlagen: Synthetisieren von seltenerdfreien ferromagneti- schen anisotropen Nanopartikeln; mittels eines physikalischen oder physikalisch-chemischen Abscheidens ausgeführtes Beschichten der synthetisierten Nanopartikel mit einer Matrix; Orientieren und Formgeben der in ein externes Magnetfeld und in eine Form eingebrachten matrixbeschichteten Nanopartikel.
Gemäß einem zweiten Aspekt wird ein Permanentmagnet beansprucht, der mittels eines Verfahrens gemäß dem Hauptanspruch erzeugt wurde .
Ferromagnetisch heißt insbesondere eine sehr große Permeabilitätszahl und eine positive magnetische Suszeptibilität aufweisend und ein Magnetfeld erheblich verstärkend. Anisotrop bedeutet insbesondere eine richtungsabhängige Eigenschaft, insbesondere magnetische Eigenschaft, aufweisend.
Nanopartikel weisen Abmessungen auf, die nanoskalig sind und hier insbesondere ein ein-domäniges Verhalten erzwingen und ein-kristallin sind.
Die Erfindung beinhaltet den Aufbau eines seltenerdfreien Permanentmagneten, dessen magnetische Eigenschaften, wie es beispielsweise die Magnetisierung, die Koerzitivkraft und das Energieprodukt sind, die Eigenschaften herkömmlicher selten- erdfreier Permanentmagnete übertrifft. Die Verbesserung der magnetischen Eigenschaften der hiermit vorgeschlagenen sel- tenerdfreien Magnete lässt den Ersatz herkömmlich verwendeter seltenerdbasierter Permanentmagnete in Elektromotoren und Generatoren zu. Hierzu wird der Magnet aus nanoskaligen
Eindomänenteilchen, die ebenso als Nanopartikel bezeichnet werden können, aufgebaut. Diese magnetisch optimierte Mikro- struktur maximiert das zu erreichende Koerzitivfeld und ermöglicht zudem eine große Magnetisierung mittels einer geeigneten Materialwahl. Auf den magnetischen Nanopartikeln wird eine vorteilhaft dünne Matrixschicht abgeschieden. Die Dicke der Matrixschicht liegt insbesondere im Nanometerbereich .
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen werden in Verbindung mit den Unteransprüchen beansprucht.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann das Abscheiden einer Matrix mittels Laserablation, Atomlagenabscheidung, chemische Gasphasenabscheidung, ionenstrahlgestützte Deposi- tion, Molekularstrahlepitaxie oder Elektronenstrahlverdampfen erfolgen, beispielweise mittels Abscheiden mittels physikalischer Gasphasenabscheidung, insbesondere Laserablation, Io- nenstrahlgestützte Desposition (auch Sputtern) , Molekularstrahlepitaxie, Elektronenstrahlverdampfen, chemischer Gasphasenabscheidung, insbesondere Atomlagenabscheidung, plasmagestützte Abscheidung, bei Atmosphärendruck oder Niederdruck, oder thermischen Spritzens.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Matrix aus organischem Material, insbesondere einem Kunststoff bestehen. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann der Kunststoff ein Thermoplast oder ein Duroplast sein.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann der Kunststoff Polyphenylsulfid, ein Polyamid oder ein Epoxid sein.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können fer- romagnetische anisotrope Nanopartikel industriell einfach synthetisiert werden. Anisotropie ist insbesondere hinsichtlich der Form oder der Kristallstruktur.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können die Nanopartikel einen Kern oder einen Kern/Schalenaufbau und optional kumulativ eine Schutzhülle aufweisen. Die Schale kann weichmagnetisch sein. Die möglichst dünne, insbesondere im Nanometerbereich sich erstreckende, Schutzhülle schützt die Nanopartikel vor Korrosion und Oxidation. Zudem reduziert die Hülle die Agglomeration der einzelnen Partikel wodurch einerseits für das Koerzitivfeld ungünstige Kontakte zwischen den Partikeln reduziert werden und andererseits die zu erreichende Anisotropie des Volumenmagneten erhöht wird. Die Schutzhülle kann beispielsweise aus C und/oder Si02 bestehen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können, während des Beschichtens der synthetisierten Nanopartikel, diese mittels einer Verteilungseinrichtung, insbesondere eines Wirbelbetts, räumlich verteilt werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können, nach dem Beschichten der synthetisierten Nanopartikel, diese in Pulverform vorliegen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können das Orientieren und Formgeben gleichzeitig ausgeführt werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können bei oder nach dem Formgeben die Matrixbeschichtungen erstarren oder aushärten oder eine vernetzte oder polymerisierte Mat- rixbeschichtung ausbilden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann das Erstarren oder Aushärten aktiviert werden, insbesondere thermisch aktiviert werden.
Ein chemisches Aktivieren unter Verwendung von Katalysatoren ist ebenso möglich. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können die Nanopartikel Co, Fe, Ni oder Mn aufweisen. Die Nanopartikel können nasschemisch, aus der Gasphase oder mittels Millings synthetisiert werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können der Kern aus einem weichmagnetischen und die Schale aus einem hartmagnetischen Material bestehen, oder dazu umgekehrt ausgebildet sein.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Schutzschicht aus Kohlenstoff bestehen und mittels Lagerung der Nanopartikel für einen Zeitraum von einigen Stunden und Temperaturen im Bereich von ca. 250 °C bis 350 °C in einer organischen Flüssigkeit erzeugt worden sein.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Schutzschicht aus Siliziumdioxid bestehen und mittels Hydrolyse und Polykondensation von Silan- erbindungen in einem po laren Lösungsmittel erzeugt worden sein.
Gemäß weiteren vorteilhaften Ausgestaltungen sind vom Schutz umfang dieser Anmeldung alle Permanentmagneten umfasst, die mittels eines Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung er zeugt worden sind.
Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Figuren näher beschrieben. Es zeigen:
Figur 1 ein erstes Ausführungsbeispiel erfindungsgemäß ver wendeter nanoskaliger Magnetbausteine;
Figur 2 ein zweites Ausführungsbeispiel erfindungsgemäß verwendeter nanoskaliger Magnetbausteine;
Figur 3 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
Verfahrens ; Figur 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens;
Figur 5 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
Permanentmagneten .
Figur 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel erfindungsgemäß verwen deter nanoskaliger Magnetbausteine 1. Infolge eines strukturellen Aufbaus als nanoskalige Eindomänenteilchen mit einer Kombination von Form- und Kristallanisotropie werden erfindungsgemäß Permanentmagneteigenschaften begünstigt. Aus diesem Grund werden mittels geeigneter, beispielsweise nasschemischer, Syntheseverfahren ferromagnetische anisotrope Nano- partikel 1 synthetisiert, die eine hohe Magnetisierung und Koerzitivfeidstärke aufweisen. Diese Partikel können beispielsweise Co, Fe, Ni, Mn-basiert sein. Ebenso ist eine Kern-/Schale-Struktur möglich, wobei ein Kern aus einem weichmagnetischen Material und eine Schale aus einem hartmag netischen Material bestehen können. Eine umgekehrte Ausbildung ist ebenso möglich. Figur 1 zeigt eine Länge L von Nano Partikeln < 1000 nm, wobei eine Dicke D kleiner als die Läng L ist und das Verhältnis L : D ungefähr zwischen 5 : 1 bis 100 : 1 liegt. Der Pfeil innerhalb des Magnetbausteins kennzeichnet eine magnetische Vorzugsrichtung.
Figur 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel erfindungsgemäß verwendeter nanoskaliger Magnetbausteine beziehungsweise Nanopartikeln 1. Gemäß dieser vorteilhaften Ausgestaltung is oder wird jedes Nanopartikel zusätzlich mit einer
nanoskaligen dünnen Schutzhülle umgeben. Die Schutzhülle ist als starke Umrandung eines einzelnen Magnetbausteins dargestellt. Eine magnetische Vorzugsrichtung zeigt wieder einen Pfeil in dem Magnetbaustein an. Als ein erster Schutz gegen Umwelteinflüsse beziehungsweise als Schutz vor Korrosion kön nen diese nanoskaligen Magnetbausteine beziehungsweise Nanopartikel 1 mit einer dünnen Schutzschicht beispielsweise aus Kohlenstoff oder Silica versehen werden. Dazu werden diese nanoskaligen Magnetbausteine beispielsweise jeweils entweder durch die Lagerung für einige Stunden bei hoher Temperatur, beispielsweise bei Temperaturen zwischen 250 °C und 350 °C, in einer organischen Flüssigkeit mit Kohlenstoff beschichtet oder mittels Hydrolyse und Polykondensation von Silan- Verbindungen in einem polaren Lösungsmittel mit SiC>2 beschichtet. Silan- erbindungen können beispielsweise
Aminopropylsilan (APS) oder Tetraethylorthosilicat (TEOS) sein. Zusätzlich zur Schutzfunktion gegenüber Umwelteinflüs- sen gemäß Figur 2 unterdrückt eine Hülle gemäß Figur 1 die
Ausbildung von Agglomeraten mittels der Reduktion der Stärke einer magnetischen Wechselwirkung. Die Ausbildung von Agglomeraten hat einen negativen Einfluss auf die zu erreichenden magnetischen Eigenschaften.
Figur 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Figur 3 zeigt ein Beschichtungsverfahren der Magnetbausteine gemäß Figur 1 oder Figur 2 mit einer Matrix, die insbesondere aus Kunststoff besteht. Erfindungsgemäß ist er- kannt worden, dass für die Herstellung von Volumenmagneten aus eine Schutzhülle aufweisenden Nanopartikeln 1 Sintermethoden, die herkömmlicherweise bei seltenerdbasierten Magneten verwendet werden, nicht geeignet sind, da aufgrund des hohen thermischen Energieeintrags die nanoskalige Struktur zerstört wird. Erfindungsgemäß wird eine Weiterverarbeitung durch Einbettung in eine Matrix 3 bei geeigneten Temperaturen vorgeschlagen. Hierfür werden vereinzelte Magnetbausteine gemäß Figur 1 oder Figur 2, die Nanopartikel 1 sind, in einem Wirbelbett mit einer Matrix beschichtet und weiterverarbei- tet . Insbesondere eine Schutzhülle aufweisende Nanopartikel 1 werden, vorzugsweise in einer Inertgasatmosphäre, mittels einer physikalischen oder physikalisch-chemischen Abscheidungs- methode A mit einer geeigneten, insbesondere thermoplastischen, Matrix beschichtet. Geeignete Abscheidungsverfahren A sind beispielsweise eine Laserablation (PLD, LA) , Atomlagen- abscheidung (ALD) , chemische Gasphasenabscheidung (CVD) , io- nenstrahlgestützte Desposition (Sputtern) , Molekularstrahlepitaxie (MBE) oder Elektronenstrahlverdampfen . Vergleichbare Verfahren sind grundsätzlich ebenso möglich. Für kunststoffgebundene Magneten werden beispielsweise Polyphenylensulfid (PPS) oder Polyamid (PA) -Matrizen verwendet. Beispielsweise kann für die Laser-Ablation ein PPS- oder PA-Ziel oder - Target ausgewählt werden, sodass erfindungsgemäß eine sehr dünne Matrixschicht im Nanometerbereich des entsprechenden Materials auf der Oberfläche der Nanopartikel beziehungsweise Magnetbausteine abgeschieden werden kann. Auf diese Weise kann der Füllgrad wirksam vergrößert werden, da der Füllgrad umgekehrt proportional zur Schichtdicke ist. Um eine homogene Beschichtung zu bewirken, ist es besonders vorteilhaft, wenn die magnetischen Nanopartikel 1 während des Verfahrens beziehungsweise des Prozesses fein verteilt vorliegen. Dies kann beispielsweise mittels eines Wirbelbetts realisiert werden. Nach dem Beschichtungsvorgang wird ein Pulver aus vereinzelten matrixbeschichteten magnetischen Nanopartikeln 5 gewonnen. Die Magnetbausteine gemäß Figur 1 oder Figur 2 sind von der Matrix 3 ummantelt und können nun als Compound bezeichnet werden. Gemäß Figur 3 werden die nanoskaligen Magnetbausteine beziehungsweise nanoskaligen Magnetpartikel beziehungsweise Nanopartikel 1 mit einem Matrixmaterial 3 beschichtet, sodass die erzeugten Nanopartikel 5 von einer dünnen Matrixschicht vollständig ummantelt sind.
Figur 4 zeigt weitere Verfahrensschritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Nach dem Beschichtungsvorgang gemäß Figur 3 wird das aus matrixbeschichteten magnetischen Nanopartikeln 5 bestehende Pulver in eine Form umgefüllt, dies ist in Figur 4 auf der linken Seite dargestellt, und entsprechend der rechten Darstellung in Figur 4 unter einem externen beispielsweise magnetischen Feld M, vorzugsweise transversal zu einer Pressrichtung eines Druckes P orientiert und gepresst. Verwendete Drücke P liegen in einem Bereich von einigen MPa bis GPa . Gleichzeitig zum Orientieren und Formpressen oder nachgeschaltet wird ein Erstarren oder Aushärten der Matrix 3 thermisch oder chemisch aktiviert. Es entstehen Volumenprobekörper mit einem hohen Füllgrad von orientierten, homogen verteilten magnetischen Nanopartikeln in einer Matrix. Die einzelnen nanoskaligen Magnetbausteine oder Nanopartikel 1 werden in dem externen Magnetfeld, vorzugsweise transversal zur Pressrichtung eines Druckes P, ausgerichtet und verdichtet, ehe die Matrixhüllen 3 oder die Matrixbeschichtung, bei- spielsweise thermisch aktiviert, vernetzt werden. Figur 4 zeigt eine erfindungsgemäße Kompaktierung der beschichteten Nanopartikel 5 im Magnetfeld M. Figur 4 zeigt abschließende Verfahrensschritte zur Erzeugung eines Volumenmagneten. Figur 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Permanentmagneten PM. Figur 5 zeigt einen anisotropen kunst- stoffgebundenen Volumenmagneten, der aus nanoskaligen Magnetbausteinen 1 besteht. Die erfindungsgemäß beanspruchten physikalischen beziehungsweise physikalisch-chemischen Abschei- dungsverfahren A zur Beschichtung und Einbettung magnetischer Nanopartikel 1 in eine Matrix 3 mit anschließender Verdichtung und Aushärtung im magnetischen Feld M führt zu einem größtmöglichen Füllfaktor bei zugleich homogener Verteilung und nahezu vollständiger Orientierung, um bestmögliche magne- tische Eigenschaften zu erzielen. Dies steht im Gegensatz zu herkömmlichen Verfahren der Einbettung von Nanostrukturen, die lediglich auf geringere Füllfaktoren optimiert sind. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Einbettung in eine Matrix 3 liegt in der geringen Verarbeitungstemperatur im Vergleich zu herkömmlichen Sintermethoden. Somit wird aus magnetischer Sicht ein ungünstiges Partikelwachstum erfindungsgemäß vermieden. Zudem ermöglicht ein erfindungsgemäßes Verfahren eine endformnahe Fertigung, was ebenso als Near- Net-Shape bezeichnet werden kann. Aufgrund der elektrischen isolierenden Eigenschaften des Matrixmaterials wird die Ausbildung von Wirbelströmen beim Einsatz im magnetischen Wechselfeld, die zu einer Temperaturerhöhung führen, unterdrückt. Die Matrixbeschichtung übernimmt drei Funktionen, und zwar erstens die Verbindung der einzelnen Nanomagnete oder Nano- partikel zu einem Volumenmagneten, zweitens die Vermeidung von direktem Kontakt der einzelnen Nanomagnete, das heißt die magnetische Isolation wird ausgebildet und drittens eine elektrische Isolation zur Unterdrückung von Wirbelströmen. Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Permanentmagneten PM, mittels eines physikalischen oder physikalisch-chemischen Abscheidens A ausgeführtes Beschichten von synthetisierten Nanopartikel 1 mit einer kunststoffgebun denen Matrix 3 sowie Orientieren und Formgeben der in ein ex fernes Magnetfeld M und in eine Form eingebrachten matrixbeschichteten Nanopartikel 5. Auf diese Weise können hohe Füll grade erhalten werden.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung eines Permanentmagneten (PM) , mit den Schritten:
Synthetisieren von seltenerdfreien ferromagnetischen anisotropen Nanopartikeln (1);
mittels eines physikalischen oder physikalisch-chemischen Ab- scheidens (A) ausgeführtes Beschichten der synthetisierten Nanopartikel ( 1 ) mit einer Matrix (3) und Erzeugen einer Mat- rixbeschichtung der Nanopartikel (1);
Orientieren und Formgeben der in ein externes Kraftfeld (M) und in eine Form eingebrachten matrixbeschichteten Nanopartikel (5) .
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
Abscheiden mittels physikalischer Gasphasenabscheidung, chemischer Gasphasenabscheidung oder thermischen Spritzens, insbesondere Ionenstrahlgestützte Desposition oder Sputtern, Mo- lekularstrahlepitaxie, Elektronenstrahlverdampfen Atomlagen- abscheidung, oder Laserablation .
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Matrix aus organischem Material, insbesondere einem Kunststoff, besteht.
4. Verfahren nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Kunststoff eine Thermoplast oder ein Duroplast ist.
5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Kunststoff Polyphenylsulfid oder Polyamid oder Epoxid ist.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Synthetisieren von ferromagnetischen anisotropen Nanoparti- keln .
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
die Nanopartikel einen Kern oder einen Kern-Schalenaufbau aufweisen, wobei die Schale vollständig oder teilweise den Kern bedeckt.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
die Nanopartikel eine Schutzhülle aufweisen.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
während des Beschichtens der synthetisierten Nanopartikel, diese mittels einer Verteilungseinrichtung, insbesondere eines Wirbelbetts, räumlich verteilt werden.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
nach dem Beschichten der synthetisierten Nanopartikel, diese in Pulverform vorliegen.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
das Orientieren und Formgeben gleichzeitig ausgeführt werden.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
beim oder nach dem Formgeben die Matrixbeschichtung erstarrt oder aushärtet.
13. Verfahren nach Anspruch 12,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Erstarren oder Aushärten aktiviert, insbesondere thermisch aktiviert, wird.
14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
die Nanopartikel Co, Fe, Ni oder Mn aufweisen und/oder nasschemisch synthetisiert werden.
15. Verfahren nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Kern aus einem weichmagnetischen und die Schale aus einem hartmagnetischen Material bestehen oder ein umgekehrter Auf- bau geschaffen ist.
16. Verfahren nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Schutzhülle aus Kohlenstoff besteht und mittels Lagerung der Nanopartikel für einen Zeitraum von einigen Stunden und Temperaturen im Bereich von circa 250°C bis 350°C in einer organischen Flüssigkeit erzeugt wurde.
17. Verfahren nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Schutzhülle aus Siliziumdioxid besteht und mittels Hydrolyse und Polykondensation von Silan-Verbindungen in einem polaren Lösungsmittel erzeugt wurde.
18. Permanentmagnet,
dadurch gekennzeichnet, dass
dieser mittels eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche erzeugt wurde.
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