Concepts and microstructure design for multicaloric cooling using Ni-Mn-based Heusler compounds

The world’s rising population as well as environmental and economic changes go hand in hand with an increasing need for sustainable and energy-efficient cooling solutions. The most promising alternative to currently used vapor-compression technology is solid-state caloric cooling which utilizes the giant thermal response to an external field in vicinity of first-order phase transitions. However, there are still several limitations such as irreversibilities and energy losses during cyclic operation as well as the necessity of a rather large external field which hamper its application. The utilization of more than one external field which is known as multicaloric cooling, promises to overcome these limitations. For this purpose, materials with a pronounced cross-response to multiple stimuli are required. In this work, metamagnetic Ni-Mn-based Heusler compounds are investigated with respect to their multicaloric properties under magnetic fields and uniaxial stress. Different combinations of the two external stimuli are explored and the influence of microstructure on the caloric response and mechanical stability is investigated. It is demonstrated that a suitable combination of magnetic field and uniaxial stress can enable a significant improvement of the magnitude and reversibility of the caloric effect as compared to its single caloric counterparts. Moreover, a strong influence of microstructural features like precipitates, grain diameter and texture on the functional and mechanical performance is revealed. It is shown that a tailored microstructure design in metamagnetic Ni-Mn-based Heusler allows to simultaneously achieve excellent caloric and mechanical properties.

Das Ansteigen der Weltbevölkerung sowie klimatische und wirtschaftliche Veränderungen erfordern nachhaltige und energieeffiziente Kühllösungen. Die vielversprechendste Alternative zur aktuell verwendeten Gaskompressionstechnolgie ist die kalorische Festkörperkühlung, welche auf der thermischen Antwort gegenüber einem äußeren Feld an Phasenübergängen erster Ordnung basiert. Allerdings sorgen irreversible Prozesse und Energieverluste bei zyklischer Anwendung sowie die Notwendigkeit eines relativ hohen äußeren Feldes für eine erhebliche Beeinträchtigung der Nutzbarkeit. Eine potenzielle Lösung stellt die Verwendung von mehr als einem äußeren Feld dar, welche unter dem Begriff multikalorische Kühlung bekannt ist. Hierfür werden Materialien mit einer Suszeptibilität gegenüber mehreren äußeren Feldern benötigt. Im Rahmen dieser Arbeit werden metamagnetische Ni-Mn-basierte Heuslerverbindungen hinsichtlich ihrer multikalorischen Eigenschaften in magnetischen Feldern sowie unter einachsiger mechanischer Beanspruchung erforscht. Es werden verschieden Kombinationsmöglichkeiten der beiden äußeren Felder untersucht und der mikrostrukturelle Einfluss auf die kalorische Antwort und mechanische Stabilität analysiert. Es wird gezeigt, dass eine geeignete Kombination von magnetischen Feldern und einachsiger mechanischer Beanspruchung zu einer signifikanten Steigerung der Größenordnung und Reversibilität des kalorischen Effektes im Vergleich zur Nutzung eines einzelnen äußeren Feldes führt. Des Weiteren wird ein deutlicher Einfluss von mikrostrukturellen Merkmalen wie Ausscheidungen, Korndurchmesser und Textur auf die funktionelle und mechanische Leistungsfähigkeit aufgezeigt. Es wird veranschaulicht, dass mit Hilfe einer optimierten Mikrostruktur sowohl hohe kalorische Effekte als auch exzellente mechanische Eigenschaften erzielt werden können.