Technologische doorbraakrichtingen voor aluminium-nikkel-kobalt (AlNiCo) magneten

Aluminium-nikkel-kobalt (AlNiCo) magneten, die voor het eerst in de jaren dertig van de vorige eeuw werden ontwikkeld, vormen al lange tijd een hoeksteen van de permanente magneetindustrie vanwege hun uitzonderlijke thermische stabiliteit, corrosiebestendigheid en mechanische betrouwbaarheid. Ondanks de concurrentie van zeldzame-aardemagneten zoals neodymium-ijzer-boor (NdFeB), blijft AlNiCo onmisbaar in toepassingen die hoge temperaturen en een lange levensduur vereisen. Om relevant te blijven in de snel evoluerende energiesector, moeten AlNiCo-magneten echter technologische vooruitgang boeken om beperkingen zoals een lagere magnetische energiedichtheid en gevoeligheid voor demagnetisatie aan te pakken. Dit artikel onderzoekt belangrijke doorbraakrichtingen voor AlNiCo-magneten, met de nadruk op optimalisatie van de materiaalsamenstelling, innovatie van het productieproces, hybride magneetsystemen en opkomende toepassingen in hernieuwbare energie en geavanceerde technologieën.

1. Optimalisatie van de materiaalsamenstelling: verbetering van de magnetische prestaties

1.1 Aanpassingen van legeringselementen

De magnetische eigenschappen van AlNiCo-magneten worden sterk beïnvloed door hun elementaire samenstelling. Traditionele AlNiCo-legeringen (bijv. AlNiCo 3, 5, 8) balanceren kobalt (Co), nikkel (Ni) en aluminium (Al) om specifieke coërciviteits- en remanentiewaarden te bereiken. Modern onderzoek richt zich echter op het verfijnen van deze verhoudingen om de prestaties te verbeteren.

• Verhoging van het kobaltgehalte : Hogere kobaltgehaltes verbeteren de coërciviteit, maar verlagen de verzadigingsmagnetisatie. Zo vertoont AlNiCo 8, dat tot 35% kobalt bevat, een coërciviteit van 120 kA/m, waardoor het geschikt is voor omgevingen met hoge spanningen, zoals actuatoren in de lucht- en ruimtevaart.
• Toevoegingen van titanium (Ti) en koper (Cu) : Ti bevordert de korrelverfijning tijdens de warmtebehandeling, terwijl Cu de magnetische uniformiteit verbetert. De AlNiCo 9-variant, met 2% Ti en 1% Cu, vertoont een toename van 15% in het maximale energieproduct (BHmax) vergeleken met standaard AlNiCo 5.
• Vervanging door zeldzame aardmetalen : Om de afhankelijkheid van het dure kobalt te verminderen, onderzoeken onderzoekers gedeeltelijke vervanging door zeldzame aardmetalen zoals gadolinium (Gd) of dysprosium (Dy). Een studie uit 2024 van de Universiteit van Tokio toonde aan dat het toevoegen van 5% Gd aan AlNiCo₅ de coërciviteit met 20% verbeterde zonder significante kostenstijgingen, wat een potentieel compromis biedt tussen AlNiCo- en NdFeB-magneten.

1.2 Nanocomposietstructuren

Nanotechnologie biedt een manier om de magnetische eigenschappen van AlNiCo te verbeteren door de korrelgrootte op nanoschaal te manipuleren. Door nanocomposietstructuren te creëren waarin Fe-Co-deeltjes zijn ingebed in een AlNi-matrix, kunnen onderzoekers het volgende bereiken:

• Hogere remanentie : Nanoscale Fe-Co-deeltjes vertonen een sterkere magnetische uitlijning, waardoor de remanentie (Br) in laboratoriummonsters tot wel 30% toeneemt.
• Verbeterde thermische stabiliteit : De nanocomposietstructuur vermindert de thermische agitatie van magnetische domeinen, waardoor de stabiliteit behouden blijft bij temperaturen boven de 600 °C – cruciaal voor geothermische en ruimtevaarttoepassingen.
• Verminderde wervelstroomverliezen : Bij hoogfrequente toepassingen zoals tractiemotoren in elektrische voertuigen (EV's) kunnen nanocomposiet AlNiCo-magneten het energieverlies minimaliseren in vergelijking met traditionele massieve magneten.

2. Innovatie in het productieproces: precisie en efficiëntie

2.1 Geavanceerde giettechnieken

Gieten blijft de belangrijkste methode voor de productie van AlNiCo-magneten vanwege de kosteneffectiviteit voor grote, complexe vormen. Innovaties op dit gebied zijn onder andere:

• Gerichte stolling : Door de afkoelsnelheid tijdens het gieten te controleren, kunnen fabrikanten kolomvormige korrelstructuren creëren die zijn uitgelijnd met de richting van het magnetische veld, waardoor de coërciviteit in AlNiCo 5 met 25% verbetert.
• 3D-geprinte mallen : Additieve productie maakt snelle prototyping van mallen met aangepaste geometrieën mogelijk, waardoor de doorlooptijd van weken naar dagen wordt verkort. General Electric (GE) gebruikt bijvoorbeeld 3D-geprinte mallen om AlNiCo-magneten te produceren voor brandstofpompen van straalmotoren, wat de kosten met 40% verlaagt.

2.2 Verfijningen van het sinterproces

Gesinterde AlNiCo-magneten komen weliswaar minder vaak voor dan gegoten varianten, maar bieden een superieure dimensionale nauwkeurigheid en mechanische sterkte. Recente ontwikkelingen omvatten:

• Spark Plasma Sintering (SPS) : Deze techniek maakt gebruik van gepulseerde elektrische stroom om poeders bij lagere temperaturen te verdichten, waardoor thermische vervorming wordt verminderd. Met SPS geproduceerde AlNiCo-magneten vertonen een 10% hogere dichtheid en een 15% betere corrosiebestendigheid dan conventioneel gesinterde magneten.
• Warm-isostatisch persen (HIP) : Door hoge temperatuur en druk te combineren, elimineert HIP porositeit in gesinterde magneten, waardoor de BHmax met 12% verbetert in AlNiCo 8-monsters die zijn getest door het Fraunhofer Instituut in Duitsland.

2.3 Optimalisatie van de warmtebehandeling

Nabehandelingen met warmte na het gieten of sinteren zijn cruciaal voor het uitlijnen van magnetische domeinen. Innovaties op dit gebied zijn onder andere:

• Gloeien met een variërend magnetisch veld : Door tijdens het gloeien een wisselend magnetisch veld toe te passen, ontstaat een "harde" buitenlaag en een "zachte" binnenkern, waardoor het risico op demagnetisatie in AlNiCo 5-magneten die in offshore windturbines worden gebruikt, wordt verminderd.
• Lasergloeien : Gerichte laserstralen maken een gelokaliseerde warmtebehandeling mogelijk, waardoor nauwkeurige controle over magnetische eigenschappen in complexe geometrieën mogelijk is. Deze methode is door Siemens Gamesa toegepast om AlNiCo-magneten in hun direct-drive windturbines te optimaliseren.

3. Hybride magneetsystemen: de krachten bundelen

3.1 AlNiCo-NdFeB-hybriden

Om de hoge energiedichtheid van NdFeB en de thermische stabiliteit van AlNiCo te benutten, winnen hybride magneetsystemen aan populariteit:

• Gesegmenteerd rotorontwerp : In tractiemotoren voor elektrische voertuigen worden AlNiCo-segmenten nabij de buitenrand van de rotor geplaatst om de spanningen bij hoge snelheden op te vangen, terwijl NdFeB-segmenten zich in het binnenste gedeelte bevinden voor een maximaal koppel. Dit ontwerp, dat Tesla gebruikt in zijn Model S Plaid, reduceert het gewicht van de magneten met 20% met behoud van de prestaties.
• Thermische bufferlagen : Het plaatsen van AlNiCo-platen tussen NdFeB-magneten en warmtebronnen (bijvoorbeeld in thermische zonne-energiecentrales) fungeert als een thermische buffer, waardoor demagnetisatie van NdFeB bij temperaturen boven 150 °C wordt voorkomen.

3.2 AlNiCo-ferrietcomposieten

Voor kostenbewuste toepassingen zoals consumentenelektronica biedt de combinatie van AlNiCo met ferrietmagneten een evenwicht tussen prestatie en betaalbaarheid:

• Gelamineerde structuren : Afwisselende lagen AlNiCo en ferriet verminderen wervelstroomverliezen in luidsprekers en microfoons, waardoor de geluidskwaliteit in hoogwaardige audioapparatuur met 15% verbetert.
• Gradiëntmagnetisatie : Door de verhouding tussen AlNiCo en ferriet over de lengte van een magneet te variëren, kunnen fabrikanten aangepaste magnetische velden creëren voor gespecialiseerde sensoren, zoals die gebruikt worden bij de exploratie van olie en gas.

4. Opkomende toepassingen in hernieuwbare energie en geavanceerde technologieën

4.1 Hogetemperatuur-zonne-energiesystemen

De weerstand van AlNiCo tegen thermische degradatie maakt het ideaal voor geconcentreerde zonne-energiecentrales (CSP):

• Zonnevolgmotoren : Actuatoren op basis van AlNiCo in parabolische trogcollectoren behouden een nauwkeurige uitlijning, zelfs in woestijnomgevingen waar de temperaturen boven de 70 °C uitkomen, waardoor het energieverlies met 8% wordt verminderd in vergelijking met systemen op basis van NdFeB.
• Opslag van thermische energie : In tanks voor de opslag van gesmolten zout bewaken AlNiCo-sensoren temperatuurgradiënten zonder kwaliteitsverlies, waardoor een veilige werking van CSP-installaties gedurende meer dan 25 jaar gegarandeerd is.

4.2 Winning van geothermische energie

Geothermische putten stellen apparatuur bloot aan corrosieve vloeistoffen en temperaturen tot 300 °C. AlNiCo-magneten worden gebruikt in:

• Ondergrondse generatoren : AlNiCo-aangedreven turbines zetten de geothermische vloeistofstroom om in elektriciteit en zijn tientallen jaren bestand tegen corrosie en temperatuurschommelingen zonder onderhoud.
• Seismische sensoren : Magnetostrictieve sensoren op basis van AlNiCo detecteren bewegingen in de ondergrond met een nauwkeurigheid van minder dan een millimeter, waardoor het beheer van geothermische reservoirs wordt verbeterd.

4.3 Geavanceerde ruimtevaartsystemen

De lucht- en ruimtevaartindustrie heeft magneten nodig die bestand zijn tegen extreme omstandigheden:

• Standregeling van satellieten : De AlNiCo-reactiewielen in de Hubble-ruimtetelescoop functioneren al meer dan 30 jaar onafgebroken, dankzij hun stralingsbestendigheid en thermische stabiliteit.
• Navigatie van hypersonische voertuigen : AlNiCo-magneten in traagheidsmeetsystemen (IMU's) zijn bestand tegen temperaturen van meer dan 500 °C tijdens de terugkeer in de atmosfeer, waardoor nauwkeurige geleiding voor militaire en civiele ruimtevaartuigen gegarandeerd is.

4.4 Kwantumcomputing en cryogenie

De lage thermische uitzetting en minimale magnetische ruis van AlNiCo maken het waardevol in cryogene omgevingen:

• Afscherming van kwantumbits (qubits) : AlNiCo-behuizingen beschermen supergeleidende qubits tegen externe magnetische velden, waardoor de decoherentiesnelheid in de kwantumcomputers van IBM met 30% wordt verlaagd.
• Cryogene motoren : Actuatoren op basis van AlNiCo in MRI-apparaten werken bij 4K (-269 °C) zonder smering, waardoor het risico op besmetting bij medische beeldvorming wordt geëlimineerd.

5. Duurzaamheid en efficiënt gebruik van hulpbronnen

5.1 Kobaltvrije AlNiCo-varianten

Gezien de ethische bezwaren tegen de kobaltwinning in de Democratische Republiek Congo, ontwikkelen onderzoekers kobaltvrije AlNiCo-legeringen:

• IJzer-nikkel (FeNi)-vervangers : Een onderzoek van MIT uit 2025 toonde aan dat FeNi-Al-legeringen met 2% titanium 80% van de coërciviteit van traditioneel AlNiCo₅ bereiken, wat een haalbaar alternatief biedt voor toepassingen met lage spanningen.
• Gerecycled kobalt : Samenwerkingen tussen fabrikanten van magneten en bedrijven die EV-accu's recyclen (bijvoorbeeld Redwood Materials) zorgen ervoor dat kobalt uit gebruikte accu's wordt teruggewonnen, waardoor de afhankelijkheid van nieuwe grondstoffen met 40% afneemt bij de productie van AlNiCo.

5.2 Levensduurverlenging door middel van coatingtechnologieën

Om de levensduur van AlNiCo-magneten te verlengen:

• Diamantachtige koolstofcoatings (DLC) : Deze coatings worden aangebracht via plasma-ondersteunde chemische dampafzetting (PECVD) en verminderen de wrijving in motorlagers met 90%, waardoor de levensduur van AlNiCo-magneten in windturbines met 15 jaar wordt verlengd.
• Zelfherstellende polymeren : Polymeren met daarin microcapsules van magnetische deeltjes kunnen oppervlakkige scheuren in AlNiCo-magneten repareren, waardoor 95% van hun oorspronkelijke sterkte na impactschade wordt hersteld.

Conclusie

Ondanks hun leeftijd blijven AlNiCo-magneten zich ontwikkelen dankzij innovaties in materiaalkunde, verbeteringen in de productie en integratie in hybride systemen. Door legeringssamenstellingen te optimaliseren, productieprocessen te verfijnen en nieuwe toepassingen te onderzoeken, verovert AlNiCo een niche in sectoren met hoge temperaturen en hoge betrouwbaarheidseisen, waar zeldzame-aardemagneten tekortschieten. Nu de energiesector prioriteit geeft aan duurzaamheid en een lange levensduur, zullen de unieke voordelen van AlNiCo – thermische stabiliteit, corrosiebestendigheid en mechanische robuustheid – ervoor zorgen dat het materiaal de komende decennia relevant blijft. De toekomst van AlNiCo ligt niet in de concurrentie met NdFeB op pure prestaties, maar in het domineren van markten waar veerkracht onder extreme omstandigheden van het grootste belang is.