Magnetiska material för energi- och råvaruhushållning
Permanentmagneter utan sällsynta jordartsmetaller
Utvecklingen av miljövänliga energikällor beror till stor del av tillgången på högkvalitativa permanentmagneter (PM). I en vindkraftsgenerator finns t.ex. 300 kg magneter. De bästa PM som finns idag innehåller sällsynta jordartsmetaller (förkortat RE, eng. Rare Earth). Exportkvoter från Kina, den dominerande producenten, har dessvärre orsakat prisstegringar på RE-material. Detta har lett till ett intensifierat sökande efter nya PM-material som inte innehåller RE.
Ett kvalitetsmått på PM är den maximala energiprodukten (BH)max som är den största nyttiga energin som kan lagras i en PM. Den beror av den remanenta magnetiska flödestätheten, Br. Ett annat kvalitetsmått är koercivfältet, Hc som är ett mått på hur tålig en PM är mot att avmagnetiseras av ett yttre fält. De högsta värdena idag återfinner vi hos RE-material: (BH)max = 400 kJ/m3 och Hc = 2 MA/m.
Lika viktig är den kritiska temperaturen, Tc, över vilken materialet är omagnetiskt. Man kan dela in PM i grupper enligt diagrammet nedan: Nd2Fe14B-magneterna är överlägset bäst men ferriterna används mest p.g.a. låga produktionskostnader. Ferriterna har dock så låg Br och därmed (BH)max (45 kJ/m3) att mycket mer material behövs i olika tillämpningar jämfört med då RE-magneter används.
Ett mål med detta projekt är att hitta en PM där (BH)max överstiger 100 kJ/m3, alltså betydligt högre än hos en ferrit men lägre än de bästa RE-baserade PM. Detta kräver att Br och Hc är i storleksordningen 0.7T respektive 1T respektive 1 MA/m. Dessutom måste Tc överstiga 600 K.
Jakten på nya PM-material börjar lämpligen bland järnrika metallföreningar med låg symmetri. Material med låg kristallsymmetri brukar i allmänhet uppvisa hög magnetisk anisotropi, vilket är ett nödvändigt villkor för att uppnå stort Hc. Sökandet utgör ett samarbete mellan olika forsknings-dicipliner; experimentell kemi respektive fysik, materialteori och industri.
Ett material av intresse är (Fe1-xCox)2B som har enaxlig magnetisk anisotropi, Tc > 900 K och en möjlig Br på 1.3T. Vi kommer också att undersöka s.k. tetragonalt distorderade järnkarbider. Nyligen har teoretiska beräkningar visat att dopning påverkar kristallgittret vilket i sin tur kan öka den magnetiska anisotropin. Men för ögonblicket är det MnAl-föreningar som tilldrar sig vårt största intresse. Mn har ett stort magnetiskt moment per atom, men momenten ordnar sig antiferromagnetiskt. I förening med Al ökar avståndet mellan Mn-atomerna och momenten växelverkar ferromagnetiskt. Legering med t.ex. kol stabiliserar strukturen. Forskningsgruppen har redan framställt MnAl-baserade material med ytterst lovande egenskaper.
Projektet kommer att resultera i ett nytt, RE-fritt, PM-material som kan formas med metallurgiska produktionsmetoder.
Kontaktperson: Universitetslektor Klas Gunnarsson
Magnetokaloriska material
Dagens frysar, kylskåp, luftkonditioneringsanläggningar och värmepumpar drivs med gas-kompressions teknik som är onödigt energikrävande och använder växthusgaser som kylmedia. Alternativa tekniker kan ge både energibesparing och mindre miljöfarliga utsläpp. Magnetokaloriska termodynamiska processer är effektiva och skulle ge 20% lägre energiförbrukning än dagens kyl/värme maskiner. I ett institutionsövergripande forskningsprojekt stött av vetenskapsrådet undersöker och söker vi lämpliga magnetiska material för magnetokaloriska tillämpningar. Materialsystemet (Fe1-yMny)2P1-xSix blir ferromagnetiskt via en sammansättningsberoende 1:a ordningens fasövergång nära rumstemperatur och omfattande forskningsresultat indikerar att detta system har tillämpbara magnetokaloriska egenskaper.
Kontaktperson: Professor Per Nordblad