Kopplungsphänomene in magnetokalorischen Materialien: Von dünnen Schichten zu Kompositen

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Dr. Tilmann Hickel; Professor Dr. Andreas Hütten; Dr. Anja Waske
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie ; Theoretische Physik der kondensierten Materie ; Thermodynamik und Kinetik sowie Eigenschaften der Phasen und Gefüge von Werkstoffen
• Förderung: Förderung von 2012 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 227087704

Das vorliegende Gemeinschaftsprojekt hat das Ziel, die magnetokalorischen und physikalischen Eigenschaften einer definierten Klasse von Heusler-Legierungen von Modellsystemen auf anwendungsnahe Fragestellungen zu übertragen. Den Ausgangspunkt bilden Ni-Co-Mn-Al Legierungen, die in der ersten Förderperiode des SPP als sehr vielversprechende magnetokalorische Heusler-Legierungen identifiziert wurden. Basierend auf den bereits erzielten Kenntnissen über dieses Materialsystem werden wir die Untersuchungen und die Optimierung auf zwei Längenskalen fortsetzen. Ausgehend von der Längenskala dünner Schichten, in denen Chemie, Kristallstruktur und Mikrostruktur leicht zu kontrollieren sind, werden wir zu Materialien mit Variabilität, wie beispielsweise Zusammensetzungsänderungen, Grenzflächen, Punktdefekten, Korngrenzen übergehen. Das Ziel ist unsere zuvor gewonnenen Kenntnisse bezüglich der Kopplung von Gitter- und Spinfreiheitsgraden auf diese neuen Materialien anzuwenden, um damit die magnetokalorische Leistung, insbesondere die relative Kühlleistung (RCP) mit Hilfe von experimentellen und theoretischen Konzepten zu erhöhen. Auf der Längenskala magnetokalorischer Kühlgeräte soll die Optimierung durch neuartige Komposit-Architekturen, die eine optimale Wärmeübertragung innerhalb des magnetokalorischen Regenerators ermöglichen, realisiert werden. Dabei werden heißgepresste Schichtverbunde auf Basis von schmelzgesponnenen Ni-Co-Mn-Al Bändern mit unterschiedlichen Übergangstemperaturen eingesetzt, um Regeneratorelemente mit großer Betriebstemperatur-Spannweite zu erhalten. Das Hauptaugenmerk liegt auf einem verbesserten Wärmestrom in Richtung des Wärmeträgermediums, der durch Einbringen zusätzlicher Komponenten mit hoher Wärmeleitfähigkeit im Verbundwerkstoffe erzielt werden soll.Der Charme dieses Projekts besteht in einem mehrfachen Wissenstransfer. Erstens soll das Wissen aus der ersten Periode des SPP, dass auf der Kopplung von Heusler-Materialien zur Erhöhung des Entropiebeitrags beruhte, auf die Ni-Co-Mn-Al Legierungen angewendet werden. Zweitens soll das Wissen, dass bei der Untersuchung magnetokalorischer dünner Filme als von Modellsysteme gewonnen wird, auf neue Demonstrator- und Gerätekonzepte übertragen werden. Drittens werden DFT-basierte Simulationen verwendet, um die entscheidenden Mechanismen, die für den magnetokalorischen Effekt und seine Wechselwirkung mit der chemischen Zusammensetzung, der Struktur und der thermischen Leitfähigkeit der Legierungen entscheidend sind, zu verstehen. Die Zusammenarbeit der beiden experimentellen Arbeitsgruppen, bei denen eine für die Herstellung der Dünnschicht-Systeme und eine Reihe von Charakterisierungstechniken verantwortlich ist, während bei der anderen die Herstellung und Charakterisierung der Schichtverbunde im Vordergrund steht, wird die Verwendung von Heusler-Legierungen in magnetokalorischen Regeneratoren und Geräten entscheidend beschleunigen.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 1599: Kalorische Effekte in ferroischen Materialien: Neue Konzepte der Kühlung