Wie lassen sich Werkstoffe mithilfe von elektrischen und magnetischen Feldern leichter herstellen und bearbeiten? Ein Team von Forschern aus sechs deutschen Universitäten und Forschungseinrichtungen haben unter Führung des Jülicher Materialwissenschaftlers Olivier Guillon den aktuellen Stand der Forschung auf diesem Gebiet zusammengetragen. Die Studie wurde in der Fachzeitschrift Materials Today veröffentlicht.

Leistungsfähige Materialien sind für den technischen Fortschritt von entscheidender Bedeutung. So bilden sie etwa die Basis für eine nachhaltige, flexible und effiziente Versorgung mit erneuerbaren Energien. Die Herstellung solcher leistungsfähiger Materialien ist jedoch selbst oft mit einem hohen Zeit- und Energieaufwand verbunden. Derzeit werden etwa 7 Prozent des gesamten Primärenergiebedarfs in Deutschland für industrielle Wärmebehandlungen zur Herstellung von metallischen und keramischen Bauteilen verwendet. Innovative Herstellungsverfahren können diesen Energiebedarf stark verringern – wie die Bearbeitung von Materialien mithilfe elektrischer und magnetischer Felder.

„Elektromagnetische Energie kann auf verschiedene Weise bei der Herstellung von Materialien genutzt werden“, erklärt Olivier Guillon vom Jülicher Institut für Energie- und Klimaforschung (IEK-1). „Sie bietet die Möglichkeit, Materialien mit bisher unerreichten Funktionalitäten zu erzeugen. Sie kann die Herstellung beschleunigen, oder normalerweise spröde und schwer zu bearbeitende Werkstoffe plastisch verformbar machen, so dass sie leichter zu bearbeiten sind.“ Darüber hinaus lassen sich mit solchen Verfahren spezielle Legierungen und Materialkompositionen herstellen, die ohne elektrische oder magnetische Felder nur schwer oder gar nicht erzeugt werden könnten. Teure, kritische Materialien ließen sich durch leichter verfügbare ersetzen, beispielsweise Eisen-Nickel-Permanentmagnete anstatt solche aus Neodym oder Cobalt. Zusätzlich können Degradationsmechanismen bei elektrochemischen Zellen für Festoxidelektrolyse und Festkörperbatterien besser verstanden werden.

Die Materialbearbeitung mit elektrischen und magnetischen Feldern ist ein interdisziplinärer Forschungsbereich. „Er verbindet die traditionellen Ingenieursbereiche der Materialwissenschaften und der Herstellungstechnik mit fundamentalen naturwissenschaftlichen Fragestellungen“, so Guillon. „Durch unsere Forschung wird ein grundlegendes Verständnis zu den Wechselwirkungen zwischen Atomen, Ionen, und Defekten und elektrischen und magnetischen Feldern aufgebaut. Wir wollen verstehen, wie Materie transportiert wird – auf allen Ebenen, vom Atom bis hin zum kompletten Bauteil.“

Der Artikel in Materials Today gibt einen breiten Überblick über die Möglichkeiten, wie elektrische und magnetische Felder auf Materialien einwirken können. Besonderer Fokus liegt dabei auf der Synthese und Verarbeitung von Werkstoffen – insbesondere Keramiken und Metallen. Die Studie entstand im Rahmen eines von Guillon initiierten und koordinierten 6-jährigen Schwerpunktprogrammes der Deutschen Forschungsgemeinschaft.

Originalpublikation:

“Manipulation of matter by electric and magnetic fields: Toward novel synthesis and processing routes of inorganic materials”, Materials Today, by Olivier Guillon, Christian Elsässer, Oliver Gutfleisch, Jürgen Janek, Sandra Korte-Kerzel, Dierk Raabe, Cynthia A. Volkert, DOI: 10.1016/j.mattod.2018.03.026 https://doi.org/10.1016/j.mattod.2018.03.026

Weitere Informationen:

Institut für Energie- und Klimaforschung,
Werkstoffsynthese und Herstellungsverfahren (IEK-1)
http://www.fz-juelich.de/iek/iek-1/DE/Home/home_no.

FieldsMatter, Schwerpunktprogram SPP 1959 (englisch)
http://www.fieldsmatter.de/fieldsmatter/EN/Home/ho.

Ansprechpartner:

Prof. Olivier Giullon
Institut für Energie- und Klimaforschung,
Werkstoffsynthese und Herstellungsverfahren (IEK-1)
Tel.: +49 2461 61-5181
E-Mail: o.guillon@fz-juelich.de