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Designing Multicaloric Materials with Martensitic Phase Transitions for Future Cooling Applications

Taubel, Andreas (2021):
Designing Multicaloric Materials with Martensitic Phase Transitions for Future Cooling Applications. (Publisher's Version)
Darmstadt, Technische Universität,
DOI: 10.26083/tuprints-00017365,
[Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Status: Publisher's Version
Title: Designing Multicaloric Materials with Martensitic Phase Transitions for Future Cooling Applications
Language: English
Abstract:

The demand for cooling devices and the corresponding energy costs are constantly expanding, driven by the growth of global population and the economies of fast-developing countries in warm climates. Novel caloric cooling solutions are an alternative that do not rely on environmentally harmful refrigerants and can provide a better energy-efficiency compared to the conventional vapor-compression technology. Especially magnetocaloric cooling is in focus of research activities including material research and well-performing device development. In order to optimize the material, many requirements need to be taken into account and each material system behaves differently under the application of an external magnetic field. This work focuses on the development of the MM'X material family with a conventional magnetocaloric effect and the various systems of Heusler alloys showing the inverse magnetocaloric effect. Both systems have in common that they experience a martensitic transition between a high-magnetization and a low-magnetization state.

The MM'X base system of MnNiGe can be tuned by the isostructural alloying method, which is investigated in detail in this work. Therefore, Mn is substituted partially by Fe as well as Ge by Si. This enhances the magnetization change of the magnetostructural phase transition, reduces the amount of expensive Ge and allows for tailoring the transition temperature. The resulting alloys show very large isothermal entropy changes for small pieces of material. A difficulty that arises for this system is the mechanical integrity together with the low magnetic-field dependence of the transition temperature. The very good sensitivity of the transition towards hydrostatic pressure reveals barocaloric purposes as a very attractive field of application for these materials.

A direct comparison with the versatile family of Ni-Mn-based Heusler alloys underlines their high potential for magneto- and multicaloric applications. With stoichiometric changes, the phase transition can be adjusted and also the magnetic-field dependence of the transition temperature is found to scale directly with the difference of the transition temperature to the austenite Curie temperature. The most promising system for low magnetic field changes is Ni(-Co)-Mn-In. Even though Ni(-Co)-Mn-Sn shows similar isothermal entropy changes, adiabatic temperature changes cannot compete. The drawback of a significant thermal hysteresis of around 10 - 15 K, which hinders a good cyclic performance of Heusler alloys, can be turned into an advantage by considering the novel approach of a multi-stimuli cycle, which exploits the thermal hysteresis to lock the material completely in its transformed state after a magnetic-field application. The necessary reverse transformation can be carried out by the application of pressure/stress as a second stimulus requiring a good pressure/stress-sensitivity of the transition temperature. Among the Heusler alloys, the novel all-d Heusler alloys of Ni-Co-Mn-Ti represent a promising material system for this approach. Their magnetocaloric performance is compared to the other Heusler alloys in small magnetic field changes of 2 T as well as for higher and faster field changes since the multi-stimuli approach allows for concentrated magnetic fields. Detailed investigations on the microstructure give insights that are crucial in order to understand the transition behavior. Analyzing the temperature-, magnetic field-, and pressure-induced phase transitions allows for assessing the potential of using the different Heusler systems for magnetocaloric and/or multicaloric cooling applications. This thesis puts the general properties of different material systems in a broad context and aims at providing principal design rules for the studied systems in order to develop and tailor well-performing caloric materials.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Wir leben in einer Zeit, in der die Weltbevölkerung stetig anwächst, ebenso wie die Nachfrage an leistungsstarken Kühlgeräten speziell in Länder mit sich rasant entwickelnder Wirtschaft in warmen Regionen der Erde. Neuartige kalorische Kühlanwendungen sind eine Alternative, die nicht auf umweltschädliche Kältemittel angewiesen ist und im Vergleich zu herkömmlichen Gaskompressionsgeräten eine bessere Energieeffizienz bieten kann. Um potentielle Materialien zu optimieren, müssen viele Anforderungen berücksichtigt werden und jedes Materialsystem verhält sich unter Anlegen eines externen Magnetfelds unterschiedlich. Diese Arbeit konzentriert sich auf die Entwicklung der MM'X-Materialfamilie mit einem konventionellen magnetokalorischen Effekt sowie verschiedene Heusler-Legierungen, die einen inversen magnetokalorischen Effekt zeigen. Beiden Systemen ist gemeinsam, dass sie einen martensitischen Übergang zwischen einem Zustand hoher Magnetisierung und einem Zustand niedriger Magnetisierung besitzen.

Das MM'X-System aus MnNiGe kann durch das in dieser Arbeit ausführlich untersuchte isostrukturelle Legierungsverfahren variiert werden. Dabei wird Mn teilweise durch Fe sowie Ge durch Si substituiert. Dies verbessert die Magnetisierungsänderung des magnetostrukturellen Phasenübergangs, verringert die Menge an teurem Ge und ermöglicht die Anpassung der Übergangstemperatur. Die resultierenden Legierungen zeigen sehr große isotherme Entropieänderungen für kleine Fragmente. Eine Schwierigkeit dieses Systems ist die mechanische Beständigkeit zusammen mit der geringen Magnetfeldabhängigkeit der Übergangstemperatur. Die sehr gute Empfindlichkeit des Übergangs gegenüber hydrostatischem Druck zeigt, dass barokalorische Systeme ein geeigneteres Anwendungsgebiet für diese Materialien sein können.

Ein direkter Vergleich mit verschiedenen Heusler-Legierungen auf Ni-Mn-Basis unterstreicht deren hohes Potenzial für magneto- und multikalorische Anwendungen. Durch Anpassen der Stöchiometrie kann sowohl der Phasenübergang als auch die Magnetfeldabhängigkeit der Übergangstemperatur gezielt eingestellt werden. Das vielversprechendste System für geringe Magnetfeldänderungen ist Ni(-Co)-Mn-In. Obwohl Ni(-Co)-Mn-Sn ähnliche isotherme Entropieänderungen zeigt, sind die erzielbaren adiabatischen Temperaturänderungen deutlich geringer. Eine nachteilige thermische Hysterese von etwa 10-15 K, die eine gute zyklische Leistung von Heusler-Legierungen verhindert, kann durch den neuartigen Ansatz eines Multi-Stimuli-Zyklus zu einem Vorteil umgesetzt werden. Dabei wird die thermische Hysterese genutzt um das Material nach einer Magnetfeldanwendung vollständig in seinem transformierten Zustand zu erhalten. Die notwendige Rückumwandlung kann durch Anlegen von Druck als zweitem Stimulus durchgeführt werden. Unter den Heusler-Legierungen stellen die neuartigen all-d-Heusler aus Ni-Co-Mn-Ti ein vielversprechendes Materialsystem für diesen Ansatz dar. Ihre magnetokalorischen Eigenschaften werden mit anderen Heusler-Legierungen vor allem bei höheren und schnelleren Feldänderungen verglichen, da der Multi-Stimuli-Ansatz konzentrierte oder gepulste Magnetfelder ermöglicht um ein möglichst geringes Volumen einer Magnetfeldquelle zu nutzen. Durch die Analyse der temperatur-, magnetfeld- und druckinduzierten Phasenübergänge kann das Potenzial der Verwendung der Heusler-Systeme für magnetokalorische und/oder multikalorische Kühlanwendungen bewertet werden. Diese Arbeit setzt die verschiedenen Eigenschaften der untersuchten Systeme in einen größeren Kontext und zielt darauf ab, grundlegende Regeln herauszuarbeiten, um leistungsfähige kalorische Materialien weiterzuentwickeln und gezielt auf Anwendungsbedürfnisse anzupassen.

German
Title of Book: Designing Multicaloric Materials with Martensitic Phase Transitions for Future Cooling Applications
Place of Publication: Darmstadt
Collation: xvii, 195 Seiten
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 500 Naturwissenschaften
500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
500 Naturwissenschaften und Mathematik > 540 Chemie
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 11 Department of Materials and Earth Sciences > Material Science
11 Department of Materials and Earth Sciences > Material Science > Functional Materials
TU-Projects: EC/H2020|743116|cool innov
Date Deposited: 12 Mar 2021 13:11
Last Modified: 12 Mar 2021 13:11
DOI: 10.26083/tuprints-00017365
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-173651
Referees: Gutfleisch, Prof. Dr. Oliver ; Wende, Prof. Dr. Heiko
Refereed: 9 December 2020
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/17365
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