BiMn und ternäre feste Lösungen oder Verbindungen

Die Mehrzahl der gebräuchlichen Permanentmagnete beruht auf Verbindungen von Seltenerdelementen (z.B. Co5 Sm, Nd2 Fe14B), doch stellen die begrenzte Verfügbarkeit und der konstant steigende Preis zunehmend ein Problem dar, insbesondere in Hinblick auf ihre Verwendung in verschiedenen umweltfreundlichen Technologien. Das hat eine Suche nach geeigneten Ersatzmaterialien, die ohne Seltenerdelemente auskommen, in Gang gesetzt. Ein möglicher Kandidat ist die intermetallische Verbindung aBiMn, die sich durch vielversprechende magnetische Eigenschaften auszeichnet: sie ist ferromagnetisch mit einer kritischen Temperatur oberhalb der peritektischen Zersetzung, zeigt magnetische Anisotropie, und die Koerzitivkraft steigt mit der Temperatur. Ein Kernproblem für ihre Untersuchung ist jedoch die Synthese von BiMn sowie davon abgeleiteter Materialien in phasenreinem Zustand; dies hängt zusammen mit den besonderen Phasengleichgewichten im System Bi-Mn, mit den unterschiedlichen Schmelztemperaturen und der langsamen Diffusionskinetik von Bi. Versuche die Eigenschaften von BiMn durch Zulegieren von weiteren Elementen zu verbessern waren in der Vergangenheit nicht sonderlich erfolgreich. Daher wird vorgeschlagen, die Herstellung von phasenreinem BiMn mit verschiedenen Methoden zu untersuchen, d.h. mittels metallurgischer Standardmethoden und mittels verschiedener chemischer Methoden (Reduktion aus wässrigen Lösungen, Reduktion von Oxiden bzw. Reduktion anderer chemischer Verbindungen, die Bi und Mn in einem äquimolaren Verhältnis enthalten). Die so hergestellten Materialien sollen mittels Röntgenbeugung, Differenzthermoanalyse und mittels magnetischer Messungen charakterisiert werden; entsprechende thermochemische Eigenschaften (Wärmekapazitäten, Bildungsenthalpien) sollen mit kalorimetrischen Methoden bestimmt werden. In einem nächsten Schritt sollen partielle Phasengleichgewichte in den drei ternären Systemen Bi-Mn-Ni, Bi-Mn- Pt und Bi-Mn-Rh untersucht werden, insbesondere in den Schnitten zwischen den entsprechenden AsNi-Phasen und BiMn. Im Hinblick auf die Möglichkeit, die magnetischen Eigenschaften von BiMn zu modifizieren bzw. zu verbessern, soll auch das magnetische Verhalten in diesem Bereich studiert werden. Obwohl andere Übergangsmetalle wie Ti, V, Cr, Fe und Co offenbar keine Verbindungen mit Bi eingehen, wird eine Untersuchung der Eigenschaften (insbesondere der magnetischen) von festen Lösungen dieser Metalle in BiMn dennoch als lohnenswert erachtet. Schließlich wird vorgeschlagen, die erhaltenen experimentellen Ergebnisse (Phasengleichgewichte und thermochemische Eigenschaften) gemeinsam mit vorhandenen Literaturdaten als Ausgangspunkt für eine thermodynamische Optimierung des binären Systems Bi-Mn sowie der ternären Systeme Bi-Mn-Ni, Bi-Mn-Rh und Bi-Mn-Pt mittels der CALPHAD-Methode zu verwenden.

Magnetische Materialien spielen in der modernen Technik eine unverzichtbare Rolle, insbesondere für Elektromotoren und Generatoren. Allerdings enthalten praktisch sämtliche leistungsfähige Permanentmagnete sogenannte Seltenerd-Elemente. Diese werden derzeit zu einem überwiegenden Teil aus China importiert, ihr Preis unterliegt starken Schwankungen, und eine Verknappung in absehbarer Zukunft ist nicht auszuschließen. Aus diesem Grund sucht man nach Ersatzmaterialien, die keine Seltenerdelemente enthalten. Als ein möglicher Ersatz wurde auch die Verbindung BiMn, bestehend aus den beiden metallischen Elementen Bismut und Mangan, in Betracht gezogen. Allerdings war es bislang nicht gelungen, diese Verbindung in makroskopischen Mengen rein herzustellen.Im abgeschlossenen Projekt wurden verschiedene Methoden getestet, um BiMn in reiner Form herzustellen, die jedoch sämtliche fehlschlugen, und zwar hauptsächlich wegen der verhältnismäßig niedrigen Zersetzungstemperatur (355C) der Verbindung. Bei solch niedrigen Temperaturen läuft die Reaktion der beiden Elemente einfach zu langsam ab und kommt nach einiger Zeit (zwei bis drei Wochen) komplett zum Stillstand. Das beste Resultat mit einer Reinheit von bis zu 87 % BiMn wurde durch Zusammenschmelzen der beiden Ausgangsstoffe Bismut und Mangan erzielt, wobei die überstehende Schmelze (die praktisch immer übrigbleibt) bei einer Temperatur von 320C abzentrifugiert wurde. Auch alle Versuche, BiMn durch chemische Reduktion aus einer wässrigen Lösung der beiden Komponenten abzuscheiden, scheiterten wegen deren sehr verschiedenem chemischen Verhalten.Als Alternative wurde versucht, BiMn durch Zusatz eines dritten Elementes zu stabilisieren, das entweder mit Mangan oder mit Bismut eine Verbindung gleicher Kristallstruktur ausbildet: in Betracht gezogen wurden die Elemente Antimon bzw. Nickel, Platin und Rhodium (MnSb, BiNi, BiPt und BiRh haben die gleiche Kristallstruktur wie BiMn). Bei einer Untersuchung der entsprechenden Legierungssysteme stellte sich allerdings heraus, dass sich keines der Elemente in merklicher Menge in BiMn auflöst. In zwei der Fälle (Mangan-Antimon und Bismut-Rhodium) war es außerdem notwendig, zunächst die Zustandsdiagramme der Zweikomponenten Legierungen im Detail zu untersuchen.Allerdings wurden in den Dreistoffsystemen mehrere neue ternäre Verbindungen gefunden, die aber leider entweder nicht (ferro)magnetisch sind, oder deren Magnetismus bereits bei ziemlich niedrigen Temperaturen zusammenbricht.Eines der wichtigsten Ergebnisse des abgeschlossenen Projekts scheint die Erkenntnis zu sein, dass die Verbindung BiMn abgesehen vielleicht von Anwendungen in dünnen Schichten oder ähnlichen sehr speziellen Formen keine Rolle als Permanentmagnet spielen wird.