Magnetocaloric materials for magnetic refrigeration at room temperature
Matériaux magnétocaloriques pour la réfrigération magnétique à température ambiante
Résumé
The magnetocaloric effect (MCE) is characterized by a magnetic entropy change and an adiabatic temperature change. The NaZn13-type La(Fe,Si)13 system has attracted wide interest because of its first-order ferromagnetic phase transition with a large magnetocaloric effect. The transition temperature can be flexibly adjusted through substitution or interstitial insertion. Particularly, hydrogen interstitials can adapt the temperature range to room-temperature applications. Precise adjustment can be achieved by full hydrogen absorption then partial desorption. However, fully hydrogenated alloys are unstable upon heating. It is important to have a better understanding of its hydrogen stability to optimize its application potential.In the first part, the structural, magnetic, and magnetocaloric properties of La(Fe,Si)13 phases are studied. In particular, we have investigated the effect of substitution of Ce on the La site and Mn on the Fe sites. The partial substitution of Ce results in the decrease of TC with decreasing lattice constant. At the same time, Ce substitution for La results in a reduced volume of the octahedral interstitial site due to steric effect. The interstitial insertion is impeded by Ce partial substitution.Secondly, the effects of interstitial atoms such as hydrogen and carbon are examined. These elements are able to enter the interstitial voids in the La(Fe,Si)13 phase, expanding the lattice. Through the extension of Fe-Fe distances, the Curie temperature of the magnetocaloric phase can be raised up to room temperature range. The influence of small concentration of carbon on the magnetic properties of samples is examined prior to hydrogenation and carbon content is optimized. In order to investigate the interstitial dynamics, the hydrogen sorption kinetics is studied by the means of Sieverts’ volumetric method and neutron diffraction. Particular attention has been given to the adjustment of the structure in the course of hydrogen/deuterium interstitial absorption and desorption.Steady-state and in-situ neutron diffractions provide precise information of the interstitial atom location of the sequential filling of the accommodating sites. The structural investigation allows specifying the deformations undergone in the complex metallic alloys La-Fe-Si when subjected to light interstitial insertion or rare earth substitution at the cation site. We show that the depression or enhancement of the hydrogenation kinetics may be related to the particular inhomogeneous cell variation of bonding in the structure. A mechanism for the diffusion path is suggested.The mechanism is light atom insertion into the interstitial sites is not only strongly related to the available space for accommodation, but also associated with the facility of the diffusion path in the lattice. We demonstrate with experimental results that a modest addition of carbon in the La-Fe-Si phase prior to hydrogenation can effectively slow down the hydrogen insertion kinetics. In Ce-substituted La-Ce-Fe-Si phases, carbon insertion can help retain hydrogen atoms during desorption, therefore, offering a prospect to have improved stability of hydrogenated materials for long-term applications. The hydrogen stability of the material is examined by means of thermal desorption in DSC and an enhancement of the thermal stability of the material is achieved with carbon-doping.Lastly, in the search of new rare-earth-free materials for magnetocaloric applications, we have explored the capacity of alloys of types FeCrNi and FeCrMn. The magnetic and structural transitions of these alloys of different compositions are studied and their potential for magnetocaloric application is examined in this thesis.
La réfrigération magnétique, basée sur l'effet magnétocalorique (EMC), est une alternative intéressante aux méthodes de réfrigération traditionnelles, basées sur des cycles de compression/détente, car elle présente des rendements énergétiques nettement plus élevés et permet d'éviter l'utilisation de gaz nocifs contribuant à l'effet de serre et problématiques pour l'environnement. Cette technologie s'appuie sur l’EMC géant de certains matériaux magnétiques autour de la température ambiante. Cet effet permet d'augmenter ou de diminuer la température du matériau lors de son aimantation ou désaimantation adiabatique autour de sa température de transition magnétique.La majeure partie des travaux de thèse se focalise sur la famille des matériaux de type La(Fe,Si)13 dans lesquels un effet magnétocalorique géant a été mis en évidence et pour lesquels la faisabilité industrielle semble la plus favorable. Dans un premier temps, les propriétés structurales et magnétiques de ces alliages sont explorées et optimisées, en remplaçant aussi bien la terre rare que le métal de transition par d'autres éléments. Les méthodes d’élaboration, des traitements thermiques, ainsi que le contrôle de la stœchiométrie sont guidées par les caractérisations structurales, microstructurales, physiques (thermiques et magnétiques).D’autre part, l'effet de l'insertion d'éléments interstitiels légers est également étudié et une grande partie du travail porte sur la détermination des conditions de stabilité de ces interstitiels dans les matériaux. Grâce à l'extension des distances Fe-Fe, la température de Curie de la phase magnétocalorique peut être augmentée jusqu'à des plages proches de latempérature ambiante. L'influence d’une faible concentration en carbone sur les propriétés magnétiques des échantillons est examinée avant hydrogénation et la teneur en carbone est optimisée.Afin d'étudier la diffusion des éléments interstitiels, la cinétique de sorption d'hydrogène est étudiée par la méthode de Sieverts ainsi que par diffraction neutronique. La diffraction neutronique in situ et à haute résolution permet une localisation des atomes interstitiels et donne accès au schéma d’insertion. Cette étude permet de préciser l’effet de l’insertion d’interstitiels légers et des substitutions d’éléments de terre rare sur la structure des alliages métalliques complexes de type La-Fe-Si. Nous montrons que la dépression ou l’accélération de la cinétique d'hydrogénation peut être liée à la variation hétérogène particulière de la maille et des liaisons dans la structure de type NaZn13. Un mécanisme pour le chemin de diffusion est suggéré.Le mécanisme d'insertion d'atomes légers est non seulement fortement lié à l'espace disponible, mais aussi associés à la facilité du chemin de diffusion dans le réseau. Nous démontrons avec des résultats expérimentaux qu'une addition modérée de carbone dans la phase La(Fe,Si)13 avant l'hydrogénation peut effectivement ralentir la cinétique d'insertion de l'hydrogène. Dans les phases La-Ce-Fe-Si, une insertion de carbone peut aider à retenir les atomes d'hydrogène lors de la désorption, par conséquent, offre une possibilité d'avoir une meilleure stabilité des matériaux hydrogénés pour des applications à long terme. La stabilité des matériaux hydrogénés est mesurée par DSC et une amélioration de la stabilité thermique du matériau est réalisée par un dopage au carbone.Un volet exploratoire est consacré aux alliages Fe-Cr-Ni et Fe-Cr-Mn qui pourraient potentiellement avoir un effet magnétocalorique exploitable. Les transitions magnétiques et structurales de ces alliages de compositions différentes sont étudiées et leur potentiel d'application magnétocalorique est discuté.
Origine : Version validée par le jury (STAR)