Nanokristalline Permanentmagnete zeigen ungewöhnliche magnetische Eigenschaften aufgrund von Oberflächen- und Grenzflächeneffekten, die verschieden von denen massiver oder mikrokristalliner Materialien sind. Diese Arbeit zeigt Ergebnisse einer systematischen Untersuchung der Beziehung zwischen Mikrostruktur und magnetischen Eigenschaften von isotropen nanokristallinen (Nd,Pr)(Fe,Co)B-Permanentmagneten. Hochkoerzitive Magnete vom Typ (Nd,Pr)FeB wurden durch hochenergetisches Mahlen in der Kugelmühle oder Rascherstarrung hergestellt. Der Einfluss geringer Mengen von Zusätzen wie Dy und Zr und die Substitution von Nd durch Pr auf die magnetischen Eigenschaften wird dargestellt. Weiterhin wurde eine Einschätzung des Warmumformverhaltens dieser Materialien durchgeführt. Hochenergetisches Kugelmahlen einer Legierung mit der Anfangszusammensetzung Pr9Nd3Dy1Fe72Co8B6.9Zr0.1 führte, nach Glühbehandlung, zu fast einphasigem Magnetpulver mit einem maximalen Energieprodukt von (BH)max~140 kJm-3. Das hochenergetische Kugelmahlen wurde zu einer sehr vielseitigen Technik zur Herstellung hochleistungsfähiger Nanokompositmagnete weiterentwickelt. Das Zulegieren unterschiedlicher Anteile von weichmagnetischem alpha-Fe ist damit sehr effektiv möglich. Der Zusatz von 25 Gew.-% alpha-Fe führt zu einem hohen (BH)max=178kJm-3. Dies wird auf eine sehr effektive Austauschkopplung zwischen den hart- und weichmagnetischen Phasen zurückgeführt. Die Natur der intergranularen Wechselwirkungen kann durch die Wohlfarth´sche Remanenzanalyse (?deltaJ-plot¡§) beschrieben werden. Im speziellen wurden deltaJ-Diagramme für verschiedene (i) alpha-Fe Gehalte, (ii) Korngrößen und (iii) Austauschlängen erstellt. Es konnte gezeigt werden, dass in den Nanokompositmagneten auf Pr-Basis keine Spinumorientierung auftritt. Abschließend zeigt die Arbeit die Möglichkeit der Nutzung einer mechanisch aktivierten Gas-Festkörper-Reaktion auf, mit der eine sehr feinkörnige Mikrostruktur erhalten wird. Die Untersuchungen wurden mit stöchiometrischen Nd2(Fe1-xCox)14B-Legierungen begonnen (x=0-1). Die Verbindungen wurden unter höheren Wasserstoffdrücken und Temperaturen gemahlen, wodurch sie zu NdH2+delta und krz-(Fe,Co) (x=0-0.75) oder kfz-Co (x=1) entmischt wurden. Die Korngrößen des rekombinierten Nd2(Co,Fe)14B-Materials liegen im Bereich von 40-50 nm. / Nanocrystalline permanent magnets present unusual magnetic properties because of surface/interface effects different from those of bulk or microcrystalline materials. This work presents results of a systematic investigation of the relationship between microstructure and magnetic properties in isotropic nanocrystalline (Nd,Pr)(Fe,Co)B permanent magnets. Highly coercive (Nd,Pr)FeB-type magnets have been produced using high energy ball milling and melt-spinning. The influence of small amounts of additives, Dy and Zr, and the substitution of Nd by Pr on the microstructural and magnetic properties are shown. An assessment of the hot deformation behaviour has been carried out. Intensive milling of an alloy with starting composition Pr9Nd3Dy1Fe72Co8B6.9Zr0.1 yields, after annealing treatment, nearly single-phase magnet powders with a maximum energy product (BH)max?î140kJm-3. Co has a beneficial effect on the intrinsic magnetic properties but also on the microstructure, with a mean grain size of 20nm. Intensive milling is used to produce high-performance nanocomposite magnets by blending this latter alloy with different fractions of soft magnetic alfa-Fe. Addition of 25wt.% alfa-Fe leads to a high (BH)max=178 kJm-3 due to an effective exchange-coupling between the hard and the soft magnetic phases. The intergrain interactions between the crystallites of the nanocomposite structure are analysed. Demagnetisation recoil loops of the nanocomposite magnets show relatively open minor loops due to the exchange-spring mechanism. Information about the intergrain interactions during demagnetisation are obtained by plotting the deviation of the demagnetising remanence from the Wohlfarth-model (¡§deltaJ-plot¡¨). Exchange-coupling phenomena are studied by analysing the evolution of the corresponding deltaJ values when varying (i) the alfa-Fe content, (ii) the annealing temperature, i.e. the grain size and (iii) the measurement temperature. Low temperature measurements do not reveal any sign of spin reorientation for these Pr-based nanocomposite magnets. The work concludes showing the possibility of using a mechanically activated gas-solid reaction to obtain an effective grain refined microstructure starting from stoichiometric Nd2(Fe1-xCox)14B alloys (x=0-1). These compounds were milled under enhanced hydrogen pressure and temperature leading to their disproportionation into NdH2+delta and bcc-(Fe,Co) (x=0-0.75) or fcc-Co (x=1). Grain sizes of recombined Nd2(Fe,Co)14B materials were found to be 40-50nm.

Nutzbare Energie ist ein knappes Gut. Aus ökonomischen und ökologischen Gründen wird die effiziente und nachhaltige Nutzung der verfügbaren Energie angestrebt. Wird Energie in elektrischer Form bereitgestellt oder transportiert, kommt der Minimierung der Verluste an elektrotechnischen Anlagen oder Bauelementen eine grundlegende Bedeutung zu. So werden beispielsweise Transformatorenkomponenten und Verstärkerelemente aus weichmagnetischen Werkstoffen mit geringem Ummagnetisierungsverlust gefertigt. In dieser Arbeit wird der Zusammenhang zwischen der magnetischen Mikrostruktur und dem magnetischen Ummagnetisierungsverlust nanokristalliner Ringbandkerne untersucht. Der Einfluss von Stärke und Lage einer induzierten Anisotropie wird anhand induktiver Hysteresemessung und simultaner Beobachtung magnetischer Domänen mit stroboskopischer Kerrmikroskopie charakterisiert.

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Nanokristalline Permanentmagnete zeigen ungewöhnliche magnetische Eigenschaften aufgrund von Oberflächen- und Grenzflächeneffekten, die verschieden von denen massiver oder mikrokristalliner Materialien sind. Diese Arbeit zeigt Ergebnisse einer systematischen Untersuchung der Beziehung zwischen Mikrostruktur und magnetischen Eigenschaften von isotropen nanokristallinen (Nd,Pr)(Fe,Co)B-Permanentmagneten. Hochkoerzitive Magnete vom Typ (Nd,Pr)FeB wurden durch hochenergetisches Mahlen in der Kugelmühle oder Rascherstarrung hergestellt. Der Einfluss geringer Mengen von Zusätzen wie Dy und Zr und die Substitution von Nd durch Pr auf die magnetischen Eigenschaften wird dargestellt. Weiterhin wurde eine Einschätzung des Warmumformverhaltens dieser Materialien durchgeführt. Hochenergetisches Kugelmahlen einer Legierung mit der Anfangszusammensetzung Pr9Nd3Dy1Fe72Co8B6.9Zr0.1 führte, nach Glühbehandlung, zu fast einphasigem Magnetpulver mit einem maximalen Energieprodukt von (BH)max~140 kJm-3. Das hochenergetische Kugelmahlen wurde zu einer sehr vielseitigen Technik zur Herstellung hochleistungsfähiger Nanokompositmagnete weiterentwickelt. Das Zulegieren unterschiedlicher Anteile von weichmagnetischem alpha-Fe ist damit sehr effektiv möglich. Der Zusatz von 25 Gew.-% alpha-Fe führt zu einem hohen (BH)max=178kJm-3. Dies wird auf eine sehr effektive Austauschkopplung zwischen den hart- und weichmagnetischen Phasen zurückgeführt. Die Natur der intergranularen Wechselwirkungen kann durch die Wohlfarth´sche Remanenzanalyse (?deltaJ-plot¡§) beschrieben werden. Im speziellen wurden deltaJ-Diagramme für verschiedene (i) alpha-Fe Gehalte, (ii) Korngrößen und (iii) Austauschlängen erstellt. Es konnte gezeigt werden, dass in den Nanokompositmagneten auf Pr-Basis keine Spinumorientierung auftritt. Abschließend zeigt die Arbeit die Möglichkeit der Nutzung einer mechanisch aktivierten Gas-Festkörper-Reaktion auf, mit der eine sehr feinkörnige Mikrostruktur erhalten wird. Die Untersuchungen wurden mit stöchiometrischen Nd2(Fe1-xCox)14B-Legierungen begonnen (x=0-1). Die Verbindungen wurden unter höheren Wasserstoffdrücken und Temperaturen gemahlen, wodurch sie zu NdH2+delta und krz-(Fe,Co) (x=0-0.75) oder kfz-Co (x=1) entmischt wurden. Die Korngrößen des rekombinierten Nd2(Co,Fe)14B-Materials liegen im Bereich von 40-50 nm. / Nanocrystalline permanent magnets present unusual magnetic properties because of surface/interface effects different from those of bulk or microcrystalline materials. This work presents results of a systematic investigation of the relationship between microstructure and magnetic properties in isotropic nanocrystalline (Nd,Pr)(Fe,Co)B permanent magnets. Highly coercive (Nd,Pr)FeB-type magnets have been produced using high energy ball milling and melt-spinning. The influence of small amounts of additives, Dy and Zr, and the substitution of Nd by Pr on the microstructural and magnetic properties are shown. An assessment of the hot deformation behaviour has been carried out. Intensive milling of an alloy with starting composition Pr9Nd3Dy1Fe72Co8B6.9Zr0.1 yields, after annealing treatment, nearly single-phase magnet powders with a maximum energy product (BH)max?î140kJm-3. Co has a beneficial effect on the intrinsic magnetic properties but also on the microstructure, with a mean grain size of 20nm. Intensive milling is used to produce high-performance nanocomposite magnets by blending this latter alloy with different fractions of soft magnetic alfa-Fe. Addition of 25wt.% alfa-Fe leads to a high (BH)max=178 kJm-3 due to an effective exchange-coupling between the hard and the soft magnetic phases. The intergrain interactions between the crystallites of the nanocomposite structure are analysed. Demagnetisation recoil loops of the nanocomposite magnets show relatively open minor loops due to the exchange-spring mechanism. Information about the intergrain interactions during demagnetisation are obtained by plotting the deviation of the demagnetising remanence from the Wohlfarth-model (¡§deltaJ-plot¡¨). Exchange-coupling phenomena are studied by analysing the evolution of the corresponding deltaJ values when varying (i) the alfa-Fe content, (ii) the annealing temperature, i.e. the grain size and (iii) the measurement temperature. Low temperature measurements do not reveal any sign of spin reorientation for these Pr-based nanocomposite magnets. The work concludes showing the possibility of using a mechanically activated gas-solid reaction to obtain an effective grain refined microstructure starting from stoichiometric Nd2(Fe1-xCox)14B alloys (x=0-1). These compounds were milled under enhanced hydrogen pressure and temperature leading to their disproportionation into NdH2+delta and bcc-(Fe,Co) (x=0-0.75) or fcc-Co (x=1). Grain sizes of recombined Nd2(Fe,Co)14B materials were found to be 40-50nm.

Micro- and nanostructured polymer brushes on diamond can be directly prepared by carbon templating and amplification of the latent structures by photografting of a broad variety of vinyl monomers such as styrenes, acrylates and methacrylates. Even template structures with lateral dimensions as small as 5 nm can be selectively amplified and defined polymer brush gradients of a variety of functional polymers are realizable by this technique. Furthermore, conjugation with a model protein (GFP) results in protein density gradients of high loading and improved chemical stability. The effective functionalization of chemically and biologically inert diamond surfaces with stable functional polymer brushes, the possibility of structuring by the carbon templating technique and the direct biofunctionalization are crucial steps for the development of diamond based biosensors. / Dieser Beitrag ist mit Zustimmung des Rechteinhabers aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.

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Micro- and nanostructured polymer brushes on diamond can be directly prepared by carbon templating and amplification of the latent structures by photografting of a broad variety of vinyl monomers such as styrenes, acrylates and methacrylates. Even template structures with lateral dimensions as small as 5 nm can be selectively amplified and defined polymer brush gradients of a variety of functional polymers are realizable by this technique. Furthermore, conjugation with a model protein (GFP) results in protein density gradients of high loading and improved chemical stability. The effective functionalization of chemically and biologically inert diamond surfaces with stable functional polymer brushes, the possibility of structuring by the carbon templating technique and the direct biofunctionalization are crucial steps for the development of diamond based biosensors. / Dieser Beitrag ist mit Zustimmung des Rechteinhabers aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.

Nutzbare Energie ist ein knappes Gut. Aus ökonomischen und ökologischen Gründen wird die effiziente und nachhaltige Nutzung der verfügbaren Energie angestrebt. Wird Energie in elektrischer Form bereitgestellt oder transportiert, kommt der Minimierung der Verluste an elektrotechnischen Anlagen oder Bauelementen eine grundlegende Bedeutung zu. So werden beispielsweise Transformatorenkomponenten und Verstärkerelemente aus weichmagnetischen Werkstoffen mit geringem Ummagnetisierungsverlust gefertigt. In dieser Arbeit wird der Zusammenhang zwischen der magnetischen Mikrostruktur und dem magnetischen Ummagnetisierungsverlust nanokristalliner Ringbandkerne untersucht. Der Einfluss von Stärke und Lage einer induzierten Anisotropie wird anhand induktiver Hysteresemessung und simultaner Beobachtung magnetischer Domänen mit stroboskopischer Kerrmikroskopie charakterisiert.

Fortschrittliche ingenieurtechnische Anwendungen stellen hohe Ansprüche an neuartige Materialien sowohl hinsichtlich e.g. mechanischer Eigenschaften wie Festigkeit und Duktilität als auch hinsichtlich einer möglichst vielfältigen Einsetzbarkeit (Maßschneiderung etc.). Zudem sind Ressourcenschonung und nachhaltige Produktion bei gleichzeitig hoher Performance zu realisieren. Entsprechend existiert grundlagenseitig Forschungsbedarf zu innovativen Materialien (e.g. Kompositwerkstoffe) und ihren Prozessierungen. In der vorliegenden Dissertation werden submikro-/nanokristalline mehrphasige Gradientenmaterialien zum Einen mittels experimenteller Methoden wie der zweidimensionalen Röntgenmikrobeugung (in geeigneter Weiterentwicklung) sowie zum Anderen mittels analytischer und numerischer Modellrechnungen bezüglich spezieller Eigenschaften und deren Korrelation zum Herstellungsprozess (starke plastische Verformung durch akkumuliertes Rundkneten) untersucht. Insbesondere werden lokale Verteilungen kristallografischer Textur sowie mechanischer (Eigen-)Spannungen analysiert und in Hinblick auf materialrelevante Eigenschaften (e.g. mechanisch, mikrostrukturell) interpretiert und korreliert. Derartige Beziehungen sind hinsichtlich perspektivischer Applikationen, e.g. im Bereich hochfester Leichtbaulösungen, von technischer Relevanz.

Fortschrittliche ingenieurtechnische Anwendungen stellen hohe Ansprüche an neuartige Materialien sowohl hinsichtlich e.g. mechanischer Eigenschaften wie Festigkeit und Duktilität als auch hinsichtlich einer möglichst vielfältigen Einsetzbarkeit (Maßschneiderung etc.). Zudem sind Ressourcenschonung und nachhaltige Produktion bei gleichzeitig hoher Performance zu realisieren. Entsprechend existiert grundlagenseitig Forschungsbedarf zu innovativen Materialien (e.g. Kompositwerkstoffe) und ihren Prozessierungen. In der vorliegenden Dissertation werden submikro-/nanokristalline mehrphasige Gradientenmaterialien zum Einen mittels experimenteller Methoden wie der zweidimensionalen Röntgenmikrobeugung (in geeigneter Weiterentwicklung) sowie zum Anderen mittels analytischer und numerischer Modellrechnungen bezüglich spezieller Eigenschaften und deren Korrelation zum Herstellungsprozess (starke plastische Verformung durch akkumuliertes Rundkneten) untersucht. Insbesondere werden lokale Verteilungen kristallografischer Textur sowie mechanischer (Eigen-)Spannungen analysiert und in Hinblick auf materialrelevante Eigenschaften (e.g. mechanisch, mikrostrukturell) interpretiert und korreliert. Derartige Beziehungen sind hinsichtlich perspektivischer Applikationen, e.g. im Bereich hochfester Leichtbaulösungen, von technischer Relevanz.