Werkstoffsubstitution und Ersatz von Elementen

Eine erfolgreiche Substitution erfordert den Erhalt oder Verbesserung der funktionalen Eigenschaften des Systems. Werkstofftechnologische Herausforderungen, die daraus resultieren, gehen wir mit fundiertem Mechanismenverständnis, Multiskalen-Simulation und atomistischen Berechnungen an:

• Magnetische Eigenschaften: Neodym-Eisen-Bor (NdFeB)-Magnete gehören zu den stärksten bekannten Dauermagneten. Viele Ersatzstoffe (z. B. Ferrit-Magnete) bieten geringere Magnetisierung und Energiedichte, was zu größeren und schwereren Bauteilen (z. B. in Elektromotoren, Windkraftanlagen) führen würde.
• Optische Eigenschaften: Seltenerdmetalle wie Europium, Terbium oder Yttrium werden in Leuchtstoffen für LEDs und Displays verwendet. Ersatzstoffe müssen ähnliche Emissionseigenschaften (z. B. Farbe, Intensität, Lebensdauer) besitzen – was nur schwer erreichbar ist.
• Katalytische Eigenschaften: Cer wird z. B. in Katalysatoren als Sauerstoffspeicher verwendet. Ersatzstoffe müssen gleich gute Reaktivität und Stabilität zeigen.
• Kritische Elemente beeinflussen oft auch die mechanischen Eigenschaften von Werkstoffen wie Härte, Festigkeit, Zähigkeit, Korrosionsbeständigkeit. Ersatzstoffe müssen diesen Anforderungen standhalten.
• Substitutionsmaterialien müssen mit bestehenden Materialsystemen (z. B. Legierungen, Verbundwerkstoffen) kompatibel sein. Problematisch dabei sind unerwünschte Phasenbildung, Versprödung und intermetallische Verbindungen, die zu schlechter Verarbeitbarkeit führen

Um diese Herausforderungen mit Ihnen gemeinsam anzugehen, berechnen wir die Eigenschaften Ihrer Materialsysteme und entwickeln die geeigneten Simulationsmethoden dafür. Unser Anspruch ist ein fundiertes Mechanismenverständnis mit vertretbarem Rechenaufwand zu schaffen. Damit eröffnen wir für Sie neue Spielräume für das Materialdesign.

Referenzprojekt

High-Throughput-Ansätze zur Reduktion Seltener Erden in Magnetwerkstoffen, KSE

Für die Herstellung von Handys, Laptops, Elektromotoren und Windturbinen sind Seltene Erden unverzichtbar.  Ihre Verfügbarkeit ist jedoch kritisch. Im Fraunhofer-Leitprojekt Kritikalität Seltener Erden (KSE) entwickelten sieben Fraunhofer-Institute gemeinsam Lösungen, um die Abhängigkeit von Seltenen Erden wie Neodym und Dysprosium zu reduzieren. Von der theoretischen Vorhersage neuer Magnetwerkstoffe bis zur Herstellung praxistauglicher Elektromotoren mit reduziertem Gehalt an Seltenen Erden wurde dabei erstmals die gesamte Prozesskette abgebildet. Am Fraunhofer IWM wurden mittels materialtheoretischem »High-Throughput Screening« und informationstheoretischem »Data Mining« intermetallische Phasen mit guten hartmagnetischen Eigenschaften identifiziert. Die eigens entwickelte Webanwendung MagnetPredictor zeigt, wie datengetriebene Methoden die Materialforschung beschleunigen können. 

Projektprofil: KSE: Kritikalität Seltener Erden - Fraunhofer IWM

Publikationen

Krugel, G.; Körner, W.; Urban, D.F.; Gutfleisch, O.; Elsässer, C., High-throughput screening of rare-earth-lean intermetallic 1-13-X compounds for good hard-magnetic properties, Metals 9/10 (2019) 1096 1-13 Link

Körner, W.; Krugel, G.; Urban, D.F.; Elsässer, C., Screening of rare-earth-lean intermetallic 1-11 and 1-11-X compounds of YNi9In2-type for hard-magnetic applications, Scripta Materialia 154 (2018) 295-299 Link

Möller, J.; Körner, W.; Krugel, G.; Urban, D.F.; Elsässer, C., Compositional optimization of hard-magnetic phases with machine-learning models, Acta Materialia 153 (2018) 53-61 Link

Körner, W.; Krugel, G.; Elsässer, C.; Theoretical screening of intermetallic ThMn12-type phases for new hard-magnetic compounds with low rare earth content, Scientific Reports 6 (2016) 24686 1-9; 142/2016 Link

Drebov, N.; Martinez-Limia, A.; Kunz, L.; Gola, A.; Shigematsu, T.; Eckl, T.; Gumbsch, P.; Elsässer C.; Ab initio screening methodology applied to the search for new permanent magnetic materials; New Journal of Physics 15 (2013) 125023 1-24 Link

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