Permanentmagnete mit hoher Koerzitivfeldstärke Hc und maximalem Energieprodukt (BH)max sind für moderne Technologien, in denen elektrische Energie effizient in Bewegung oder umgekehrt umgewandelt wird, unverzichtbar. Modellierung und Simulation spielen eine wichtige Rolle beim Mechanismusverständnis und der Optimierung von Hc und (BH)max und der Aufdeckung des damit verbundenen Koerzitivkraftmechanismus. Jedoch sind sowohl Hc als auch (BH)max extrinsische Eigenschaften, d. h. sie hängen nicht nur von den intrinsischen magnetischen Eigenschaften der konstituierenden Phasen ab, sondern auch von den Mikrostrukturen über Skalen hinweg. Daher sind Multiskalensimulationen für eine mechanistische und prädiktive Berechnung von Permanentmagneten wünschenswert. In dieser Dissertation wird ein Multiskalen-Simulationsrahmen, der First-PrinciplesBerechnungen, Atomistic-Spin-Modell (ASM)-Simulationen und mikromagnetische Simulationen kombiniert, für die Vorhersage temperaturabhängiger intrinsischer magnetischer Eigenschaften sowie der mikrostrukturbezogenen extrinsischen Eigenschaften in Permanentmagneten verwendet, mit Fokus auf Nd-Fe-B und seltenerdfreie Wechselfedermagnete. Die wesentlichen Inhalte und Ergebnisse sind im Folgenden zusammengefasst.

(1) Die intrinsischen temperaturabhängigen magnetischen Eigenschaften der Hauptphase Nd2Fe14B in Nd-Fe-B Permanentmagneten werden durch ab-initio informierte ASMSimulationen berechnet. Der ASM-Hamiltonian für Nd2Fe14B wird konstruiert, indem der Heisenberg-Austausch von Fe-Fe- und Fe-Nd-Atompaaren, die uniaxiale Einzelionenanisotropie von Fe-Atomen und die Kristallfeldenergie der Nd-Ionen’ verwendet werden. Die berechnete temperaturabhängige Sättigungsmagnetisierung Ms(T ), die effektive magnetische Anisotropiekonstanten Keff i (T ) (i = 1, 2 , 3), die Domänenwandbreite δw(T ) und die Austauschsteifigkeitskonstante Ae(T) stimmen mit den experimentellen Ergebnissen gut überein. Dieser Berechnungsrahmen ermöglicht eine Maßstabsbrücke zwischen FirstPrinciples-Berechnungen und temperaturabhängigen mikromagnetischen Simulationen von Permanentmagneten.

(2) Der Einfluss der intrinsischen Bulk-Austauschsteifigkeit Ae in Nd2Fe14B und der extrinsischen Grenzflächenaustausch-Kopplungsstärke Jint zwischen Nd2Fe14B und der Korngrenze (GB) wird durch die Kombination von First-Principles-Rechnungen, ASMSimulationen und mikromagnetischen Simulationen untersucht. Sowohl Ae als auch Jint sind anisotrop. Ae ist entlang der kristallographischen a/b-Achse größer als entlang der c-Achse von Nd2Fe14B. Das "doppelte Anisotropie"-Phänomen in Bezug auf GB wird entdeckt, d. h. zusätzlich zur GB-Magnetisierungsanisotropie ist Jint auch stark anisotrop, selbst wenn GB die gleiche Magnetisierung besitzt. Es zeigt sich, dass Jint für die (100)-Schnittstelle viel höher ist als für die (001)-Schnittstelle. Es wird gezeigt, dass der entdeckte anisotrope Austausch einen tiefgreifenden Einfluss auf Hc hat. Diese Erkenntnisse erlauben neue Möglichkeiten beim Design von Nd-Fe-B-Magneten durch Tuning-Austausch.

(3) Hc von Nd-Fe-B-Permanentmagneten mit gekennzeichneter Mikrostruktur werden durch die Kombination von ASM- und mikromagnetischen Simulationen berechnet. Mit den intrinsischen Eigenschaften aus ASM-Ergebnissen als Eingabe werden mikromagnetische Simulationen bei endlicher Temperatur durchgeführt, um die magnetische Umkehrung und Hc bei hohen Temperaturen zu berechnen. Es wurde festgestellt, dass neben der Abnahme des Anisotropiefeldes mit zunehmender Temperatur thermische Schwankungen Hc weiter um 5 − 10% und β (Temperaturkoeffizient von Hc) um 0.02 − 0.1% K−1 reduzieren, wenn eine Defektschicht vorhanden ist. Sowohl Hc als auch β können durch Hinzufügen der Dy-reichen Schale verbessert werden, aber bei einer Schalendicke (tsh) von etwa 6-8 nm tritt eine Sättigung ein, wonach eine weitere Erhöhung von tsh oder die Zugabe von Dy in den Kern nicht unbedingt erforderlich ist.

(4) Der mikrostrukturelle Einfluss in Seltenerd-freien Permanentmagnetkandidaten, im speziellen der α′′-Fe16N2/SrAl2Fe 10O19 Komposit und die MnBi/FexCo1−x Doppelschicht, wird in Zusammenarbeit mit den experimentellen und theoretischen Partnern untersucht. Für ersteres zeigen reine mikromagnetische Simulationen, Auslegungskriterium für die magnetisch harte/weiche Phasen Komposite für harten/halbharte Phasen Komposite ungültig ist. Es wird vermutet, dass α′′-Fe16N2 Nanopartikeldurchmesser von weniger als 50 nm und ein Grenzflächenaustausch in der Größenordnung von 0,01– 0,1 pJ/m die Hc-Verstärkung ermöglichen, während weniger Oberflächenoxide und ein höherer Volumenanteil von α′′-Fe16 N2 Nanopartikeln entscheidend für die Verbesserung des Komposit (BH)max Wertes sind. Für letzteres zeigen DFT-gestützte mikromagnetische Simulationen, dass die Grenzflächenrauigkeit die Grenzflächenaustauschkopplung verschlechtern und eine vorzeitige Magnetumkehr in der FeCo-Schicht induzieren könnte. Eine 1 nm dicke FeCo-Schicht und ein Grenzflächenaustauschparameter von etwa 2 pJ/m könnten (BH)max im Vergleich zur reinen MnBi-Schicht um 10% verbessern. Der in dieser Arbeit vorgestellte Multiskalen-Simulationsansatz über Skalen von der elektronischen Ebene über den atomaren Spin bis hin zur Mikrostruktur zeigt seine Fähigkeit zu einem leistungsstarken und prädiktiven rechnerischen Design von Hochleistungs-Permanentmagneten, auch wenn für die direkte Anwendung im tatsächlichen Produktdesign noch ein langer Weg erforderlich ist.