TU Darmstadt / ULB / TUprints

Multi-physics phase-field modeling of magnetic materials

Ohmer, Dominik (2022):
Multi-physics phase-field modeling of magnetic materials. (Publisher's Version)
Darmstadt, Technische Universität,
DOI: 10.26083/tuprints-00020799,
[Ph.D. Thesis]

[img] Text
Multi-physics_phase_field_modeling_of_magnetic_materials_Dominik_Ohmer_2021_dissertation.pdf
Available under: CC-BY-SA 4.0 International - Creative Commons, Attribution ShareAlike.

Download (37MB)
Item Type: Ph.D. Thesis
Status: Publisher's Version
Title: Multi-physics phase-field modeling of magnetic materials
Language: English
Abstract:

With the fast growth of economies around the globe, especially in warmer climate regions, the demand of cooling devices is expected to increase drastically within the next decades and with it the emission of greenhouse gases. In an attempt to develop a more energy efficient and environment friendly cooling device, a multi-stimuli concept utilizing the magneto- and elastocaloric effect was proposed. The goal of this work is to build a multi-physics phase-field model for the simulation of this multi-stimuli concept. Micromagnetic simulations are firstly introduced as a tool to simulate the relation between magnetic properties and microstructure. Micromagnetic simulations are performed on Y-Co and Sm-Co structures, showing that the magnetic properties, especially the coercivity of permanent magnets, strongly depend on microstructural features. In a second step, a new methodology for the extrapolation of micromagnetic simulations to temperatures around and above TC is introduced. A combination of micromagnetic simulations and the Arrott-Noakes equation allows for the calculation of the magnetocaloric effect, taking into account the influence of microstructure and magnetocrystalline anisotropy. Applying the methodology on Co2B nanograins shows good agreement with experimental results. In order to not only consider second-order materials, a multi-physics phase-field model is presented which combines a tetragonal martensite and cubic austenite phase-field model with micromagnetism. With a finite element implementation of this three-dimensional real-space model, the structural and magnetic features observed in MSMA are simulated. In addition, it is shown that the temperature-dependent energy formulation allows for the simulation of the martensite-austenite transition, including the thermal hysteresis. As final step, the micromagnetic energy terms are modified to also take into account magnetic transitions that occur along the martensite-austenite transition. Depending on the modification of the magnetic energy terms with the phase order parameter, the model can take into account the transition between a ferromagnetic martensite and paramagnetic austenite, as well as the transition between a paramagnetic martensite and ferromagnetic austenite. While the application of uniaxial pressure shifts Tt to higher temperature, the direction of the shift with applied magnetic fields depends on the magnetic transition considered. Summarizing, after presenting the individual physics to be considered, this work presents a new multi-physics phase-field model, which is capable of capturing the martensite-austenite transition under the consideration of different magnetic transitions. With the ability to simulate the thermal hysteresis and shift of Tt with external stimuli, the presented model is capable of simulating the multi-stimuli concept.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Aufgrund des schnellen Wachstums der Ökonomien auf der ganzen Welt, insbesondere in wärmeren Klimaregionen, wird prognostiziert, dass der Bedarf an Kühlgeräten in den nächsten Jahrzehnten drastisch ansteigen wird. Als Folge daraus wird auch die Emission von Treibhausgasen, die den Klimawandel beschleunigen, stark zunehmen. Mit dem Ziel ein energieeffizienteres und umweltfreundlicheres Kühlgerät zu entwickeln, wurde ein Multistimuluskonzept entwickelt, das auf dem magneto- und elastokalorischen Effekt basiert. Das Ziel dieser Arbeit ist es ein multiphysikalisches Phasenfeldmodell für die Simulation dieses Multistimuluskonzepts zu entwickeln. Dafür werden in dieser Arbeit zunächst mikromagnetische Simulationen als Werkzeug zur Simulierung der Beziehung zwischen magnetischen Eigenschaften und der Mikrostruktur eingeführt. Diese Simulationen werden an Y-Co- und Sm-Co-Strukturen durchgeführt und zeigen, dass die magnetischen Eigenschaften, insbesondere die Koerzitivfeldstärke von Permanentmagneten, stark von der Mikrostruktur abhängig sind. In einem zweiten Schritt wird eine neue Methodik für die Extrapolation von mikromagnetischen Simulationen auf Temperaturen um und über TC vorgestellt. Durch eine Kombination aus mikromagnetischen Simulationen und der Arrott-Noakes-Gleichung ist es möglich den magnetokalorischen Effekts unter Berücksichtigung des Einflusses der Mikrostruktur und der magnetokristallinen Anisotropie zu berechnen. Die Anwendung dieser Methodik auf Co2 B-Nanokörner zeigt eine gute Übereinstimmung mit experimentellen Ergebnissen. Um jedoch nicht nur Materialien mit einem Übergang zweiter Ordnung zu berücksichtigen, wird ein multiphysikalisches Phasenfeldmodell vorgestellt, das ein Phasenfeldmodell für eine tetragonale Martensitphase und kubische Austenitphase mit Mikromagnetismus kombiniert. Das Modell wird gemäß der Finitie-Element-Methode implementiert und die strukturellen und magnetischen Eigenschaften von magnetischen Formgedächtnislegierungen werden übereinstimmenden mit anderen Modellen und experimentellen Beobachtungen simuliert. Darüber hinaus wird gezeigt, dass die temperaturabhängige Energieformulierung die Simulation des Martensit-Austenit Übergangs, einschließlich der thermischen Hysterese, ermöglicht. In einem letzten Schritt werden die magnetischen Energiebeiträge im Modell erweitert, um auch magnetische Übergänge berücksichtigen zu können, die gemeinsam mit dem Martensit-Austenit Übergang auftreten können. Je nach Modifikation der magnetischen Energiebeiträge mit dem Phasenordnungsparameter kann das Modell sowohl den Übergang zwischen einem ferromagnetischen Martensit und paramagnetischen Austenit als auch den Übergang zwischen einem paramagnetischen Martensit und ferromagnetischen Austenit berücksichtigen. Während die Anwendung von uniaxialem Druck die Übergangstemperatur Tt zu höheren Temperaturen verschiebt, hängt die Richtung der Verschiebung bei angelegten Magnetfeldern von der Art des magnetischen Übergangs ab. Zusammenfassend wird in dieser Arbeit, nach der Darstellung der zu berücksichtigenden Physik, ein neues multiphysikalisches Phasenfeldmodell vorgestellt, das in der Lage ist, den Martensit-Austenit Übergang mit Berücksichtigung verschiedener magnetischer Übergänge zu simulieren. Mit der Fähigkeit, die thermische Hysterese und die Verschiebung von Tt mit externen Stimuli zu simulieren, ist das vorgestellte Modell in der Lage, das Multistimuluskonzept zu simulieren.

German
Place of Publication: Darmstadt
Collation: xxvii, 214 Seiten
Classification DDC: ?? ddc_dnb_500 ??
?? ddc_dnb_530 ??
?? ddc_dnb_620 ??
Divisions: ?? fb11_mawi~fum ??
Date Deposited: 02 Mar 2022 09:19
Last Modified: 02 Mar 2022 09:19
DOI: 10.26083/tuprints-00020799
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-207990
Referees: Xu, Prof. Dr. Bai-Xiang ; Schrefl, Prof. Dr. Thomas
Date of oral examination: 30 November 2021
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/20799
PPN:
Export:
Actions (login required)
View Item View Item