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On the magnetocaloric properties of Heusler compounds: Reversible, time- and size-dependent effects of the martensitic phase transition

Gottschall, Tino :
On the magnetocaloric properties of Heusler compounds: Reversible, time- and size-dependent effects of the martensitic phase transition.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2016)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: On the magnetocaloric properties of Heusler compounds: Reversible, time- and size-dependent effects of the martensitic phase transition
Language: English
Abstract:

Large magnetocaloric effects can be obtained in the Heusler alloy systems Ni-Mn-In and Ni-Mn-In-Co during the magnetostructural phase transformation between the low temperature paramagnetic martensite and the high temperature ferromagnetic austenite phase. The martensitic transition takes place by a nucleation and growth process and can be tuned in a wide temperature window by varying the chemical composition. It is furthermore sensitive to a magnetic field but also to hydrostatic pressure. The phase transformation can therefore be induced by those external stimuli, which is investigated in this thesis by means of a phenomenological model. The martensitic transition is related to a significant thermal hysteresis, which limits the reversible adiabatic temperature and isothermal entropy change of the material. However, the magnetocaloric effect under cycling can be enhanced when the material remains all the time in a mixed-phase state, in so-called minor loops of hysteresis. On the contrary, in very high magnetic-field rates as well as in micrometer-sized single particles, the thermal hysteresis increases significantly, which needs to be considered in terms of application. In order to understand the contrasting behavior of small fragments in comparison to their bulk representatives, a finite element model is introduced, from which the importance of mechanical stress during the first-order transition becomes apparent. Furthermore, an attempt is made to improve the sustainability of magnetocaloric Heusler alloys by the substitution of critical elements to move this interesting material class further towards application.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
In den beiden Heusler-Verbindungen Ni-Mn-In und Ni-Mn-In-Co lassen sich aufgrund der magnetostrukturellen Umwandlung zwischen der paramagnetischen Tieftemperaturphase, dem Martensit, und der ferromagnetischen Hochtemperaturphase, dem Austenit, große magnetokalorische Effekte erzielen. Die martensitische Umwandlung findet durch Nukleations- und Wachstumsprozesse statt und lässt sich präzise durch die Veränderung der chemischen Zusammensetzung über einen weiten Temperaturbereich einstellen. Ein Magnetfeld oder hydrostatischer Druck verschieben die Umwandlungstemperatur. Aufgrund dieses Effektes kann die Umwandlung induziert werden. In dieser Arbeit wird der Einfluss dieser äußeren Faktoren mit Hilfe eines phänomenologischen Modells definiert untersucht. Die martensitische Umwandlung ist mit einer erheblichen thermischen Hysterese verbunden. Diese beschränkt die Reversibilität der adiabatischen Temperatur- und der isothermen Entropieänderung maßgeblich. Jedoch kann der zyklische magnetokalorische Effekt verbessert werden, wenn das Material stets in einem Zustand der Phasenkoexistenz aus Martensit und Austenit, in sogenannten inneren Hystereseschleifen, festgehalten wird. Im Gegensatz dazu wird die thermische Hysterese durch hohe Magnetfeldraten und in einzelnen, mikrometergroßen Partikeln verbreitert, was für die Anwendung berücksichtigt werden muss. Um das unterschiedliche Verhalten von kleinen Fragmenten bzw. von Volumenmaterialien zu verstehen, wird ein Finite-Elemente-Modell vorgestellt, durch das die Bedeutung mechanischer Spannungen während der Umwandlung ersichtlich wird. Desweiteren wird ein Versuch unternommen, ressourcenkritische Elemente der magnetokalorischen Heusler-Legierungen zu ersetzen, um deren Nachhaltigkeit zu verbessern und diese interessante Materialklasse für die Anwendung weiter zu entwickeln.German
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
Divisions: 11 Department of Materials and Earth Sciences > Material Science > Functional Materials
Date Deposited: 26 Jul 2016 05:38
Last Modified: 23 Aug 2016 12:48
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-55822
Referees: Gutfleisch, Prof. Dr. Oliver and Wende, Prof. Dr. Heiko
Refereed: 8 July 2016
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/5582
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