مهندسی متالورژی

مهندسی متالورژی

ارزیابی خواص سرمایش مغناطیسی حالت جامد در آلیاژ هاسلر Ni-Mn-In-Al: استحاله مغناطوساختاری مرتبه اول و گذر فاز مغناطیسی مرتبه دوم

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
میلاد آرمان 1
فرزاد شهری 2
رضا غلامی پور 2
سجاد سهرابی 3
1 دانشجوی دکتری-پژوهشکده مواد پیشرفته و انرژی های نو-سازمان پژوهش های علمی و صنعتی ایران
2 دانشیار-پژوهشکده مواد پیشرفته و انرژی های نو- سازمان پژوهش های علمی و صنعتی ایران
3 پژوهشگر، دانشکده مکاترونیک و مهندسی کنترل، دانشگاه Shenzhen، چین.
10.22076/me.2024.2031866.1404
چکیده
در این مقاله، خواص سرمایش مغناطیسی آلیاژ هاسلر Ni50Mn34In16-xAlx (x=0, 0.5, 1, and 1.5 at.%) با بررسی خواص مغناطیسی و مغناطوگرمایی مورد ارزیابی قرار گرفته است. برای این منظور نمونه‌های حجمی به قطر 8 میلی‌متر به کمک سیستم ذوب‌ریزی مکشی تهیه شده و آنیلینگ همگن‌سازی در دمای 1073 کلوین به مدت 4 ساعت در حضور گاز آرگون انجام شد. از آزمون‌های XRD و FE-SEM به منظور مشخصه‌یابی ساختاری و ریزساختاری در دمای محیط استفاده شد. آزمون DSC به منظور مطالعه استحاله فازی در محدوده دمایی 200 الی 375 کلوین با نرخ سرمایش و گرمایش 10 کلوین بر دقیقه مورد استفاده قرار گرفت. خواص مغناطیسی وابسته به دما در محدوده دمایی 175 الی 375 کلوین با نرخ سرمایش و گرمایش 3 کلوین بر دقیقه تحت میدان مغناطیسی ثابت 2 تسلا به کمک سیستم MPMS ارزیابی شد. خواص مغناطیسی و مغناطوگرمایی به کمک سیستم VSM مجهز به سیستم سرمایشی و گرمایشی در محدوده دمایی استحاله مغناطوساختاری و گذر فاز مغناطیسی مورد مطالعه قرار گرفت. نتایج حاکی از آن بود افزودن آلومینیوم منجر به تشکیل فاز مارتنزیت در دمای محیط شده است. همچنین مشاهده شد با افزایش میزان آلومینیوم دماهای مشخصه‌یابی استحاله فازی مرتبه اول کاهش پیدا کرده است. همچنین، افزایش میزان آلومینیوم منجر به کاهش مغناطش اشباع و تضعیف خواص مغناطوگرمایی شده است، به گونه‌ای که با افزودن آلومینیوم به میزان1/5 درصد اتمی، مغناطش اشباع از eum/g 49 به eum/g 5/8، تغییرات آنتروپی مغناطیسی از J/kg.K 3/04 به J/kg.K 1/11 و ظرفیت سرمایشی از J/kg 109/83 به J/kg 8/1 رسیده است.
کلیدواژه‌ها
خواص مغناطیسی و مغناطوگرمایی
استحاله مغناطوساختاری
آلومینیوم
آلیاژ هاسلر Ni-Mn-In-Al

عنوان مقاله English

Evaluation of solid-state magnetic refrigeration properties in Ni-Mn-In-Al Heusler alloy: First-order magneto-structural transformation and second-order magnetic transition

نویسندگان English

Milad Arman 1
Farzad Shahri 2
Reza Gholamipour 2
Sajad Sohrabi 3
1 Ph.D. candidate-Department of Advanced Materials and Renewable Energy-Iranian Research Organization for Science and Technology (IROST)
2 Associate Professor-Department of Advanced Materials and Renewable Energies-Iranian Research Organization for Science and Technology (IROST),
3 Research Associate,-College of Mechatronics and Control Engineering, Shenzhen University, Shenzhen 518060, China.
چکیده English

In this paper, the solid-state magnetic refrigeration properties of Ni50Mn34In16-xAlx (x=0, 0.5, 1, and 1.5 at.%) was evaluated. For this purpose, bulk samples with a diameter of 8 mm were fabricated using a suction-melting system. A homogenization annealing process was carried out at 1073 K for 4 hours in a tube furnace under an Argon gas atmosphere. XRD and FE-SEM were used for structural and microstructural characterization at room temperature. DSC was employed to study the phase transformation in the temperature range of 200-375 K with a cooling rate of 10 K/min. Temperature-dependent magnetic properties were evaluated using a magnetic property measurement system (MPMS) under a constant magnetic field of 2 T at a temperature range of 175-375 K with a cooling rate of 3 K/min. Furthermore, the magnetic and magnetothermal properties were analyzed using a VSM equipped with a cooling-heating system at the magneto-structural transformation and magnetic phase transition temperature range. The results indicated that the doping of Al led to the formation of the martensite phase at ambient temperature. It was also observed that with increasing Al the characterization temperatures of the first-order phase transformation decreased. The substitution of In by Al resulted in a gradual decrease in saturation magnetization and a weakening of magnetocaloric properties. As the Al content was increased to 1.5 at. %, the saturation magnetization decreased from 49 eum/g to 8.5 eum/g, the magnetic entropy change decreased from 3.4 J/kg·K to 1.1 J/kg·K, and the refrigeration capacity reached from 109.83 J/kg to 8.1 J/kg.

کلیدواژه‌ها English

Magnetic and magnetocaloric properties
Magneto-structural transformation
Aluminum (Al)
Ni-Mn-In-Al Heusler alloy
1.        Gschneidner A, Pecharsky VK, Tsokol AO. Recent developments in magnetocaloric materials. Reports Prog Phys. 2005;68(6):1479–539.
2.        Kitanovski A, Tušek J, Tomc U, Plaznik U, Ožbolt M, Poredoš A. Magnetocaloric Energy Conversion Vol. 179, Green Energy and Technology. 2015. 167–210 p.
3.        Stern-Taulats E, Castán T, Mañosa L, Planes A, Mathur ND, Moya X. Multicaloric materials and effects. MRS Bull. 2018;43(4):295–9.
4.        Gschneidner KA, Pecharsky VK. Magnetocaloric materials. Annu Rev Mater Sci. 2000;30(1):387–429.
5.        Gottschall T, Skokov KP, Fries M, Taubel A, Radulov I, Scheibel F, et al. Making a Cool Choice: The Materials Library of Magnetic Refrigeration. Adv Energy Mater. 2019;9(34).
6.        Belo JH, Pires AL, Araújo JP, Pereira AM. Magnetocaloric materials: From micro- to nanoscale. J Mater Res. 2019;34(1):134–57.
7.        Smith A. Who discovered the magnetocaloric effect? Warburg, Weiss, and the connection between magnetism and heat. Eur Phys J H. 2013;38(4):507–17.
8.        Franco V, Blázquez JS, Ipus JJ, Law JY, Moreno-Ramírez LM, Conde A. Magnetocaloric effect: From materials research to refrigeration devices. Prog Mater Sci . 2018;93:112–232. https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2017.10.005
9.        Pecharsky VK, Gschneidner KA. Advanced magnetocaloric materials: What does the future hold? Int J Refrig. 2006;29(8):1239–49.
10.      Planes A, Mãosa L, Acet M. Magnetocaloric effect and its relation to shape-memory properties in ferromagnetic Heusler alloys. J Phys Condens Matter. 2009;21(23).
11.      Kaya M, Cicek MM, Dincer I, Elerman Y. Magnetic and magnetocaloric properties of Ni43Mn46−xAlxIn11 (x = 0, 0.5 and 1.0). J Magn Magn Mater. 2017;442:429–34.
12.      Romero FJ, Martín-Olalla JM, Blázquez JS, Gallardo MC, Soto-Parra D, Vives E, et al. Thermo-magnetic characterization of phase transitions in a Ni-Mn-In metamagnetic shape memory alloy. J Alloys Compd . 2021;887:161395. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2021.161395
13.      Camarillo JP, Stern-Taulats E, Mañosa L, Flores-Zúñiga H, Ríos-Jara D, Planes A. Expanding the magnetocaloric operation range in Ni-Mn-In Heusler alloys by Cu-doping. J Phys D Appl Phys. 2016;49(12).
14.      Arman M, Shahri F, Gholamipour R. Effect of Al doping on the kinetics of reverse martensitic transformation in Ni-Mn-In Heusler alloys. Mater Sci Eng B. 2024;300(November 2023):117068. https://doi.org/10.1016/j.mseb.2023.117068
15.      Gottschall T, Gràcia-Condal A, Fries M, Taubel A, Pfeuffer L, Mañosa L, et al. A multicaloric cooling cycle that exploits thermal hysteresis. Nat Mater. 2018;17(10):929–34. http://dx.doi.org/10.1038/s41563-018-0166-6
16.      Gutfleisch O, Gottschall T, Fries M, Benke D, Radulov I, Skokov KP, et al. Mastering hysteresis in magnetocaloric materials. Philos Trans R Soc A Math Phys Eng Sci. 2016;374(2074).
17.      Pfeuffer L, Gottschall T, Faske T, Taubel A, Scheibel F, Karpenkov AY, et al. Influence of the martensitic transformation kinetics on the magnetocaloric effect in Ni-Mn-In. Phys Rev Mater . 2020;4(11):111401. https://doi.org/10.1103/PhysRevMaterials.4.111401
18.      Şaşmaz M. Metamagnetic transition and magnetocaloric properties of Ni45Mn42In13 Heusler alloy. Phase Transitions . 2021;94(5):289–97. https://doi.org/10.1080/01411594.2021.1931691
19.      Villa E, Tomasi C, Nespoli A, Passaretti F, Lamura G, Canepa F. Investigation of microstructural influence on entropy change in magnetocaloric polycrystalline samples of NiMnGaCu ferromagnetic shape memory alloy. J Mater Res Technol . 2020;9(2):2259–66. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2019.12.057
20.      Das R, Saravanan P, Arvindha Babu D, Perumal A, Srinivasan A. Influence of solidification rate and heat treatment on magnetic refrigerant properties of melt spun Ni51Mn34In14Si 1 ribbons. J Magn Magn Mater. 2013;344:152–7. http://dx.doi.org/10.1016/j.jmmm.2013.05.053
21.      Nayak AK, Suresh KG, Nigam AK. Correlation between reentrant spin glass behavior and the magnetic order-disorder transition of the martensite phase in Ni-Co-Mn-Sb Heusler alloys. J Phys Condens Matter. 2011;23(41).
22.      Wang X, Li M, Li J, Deng J, Wang Y, Ma L, et al. Design of Mn–Mn distance for tunable spontaneous exchange bias in Heusler alloys. Intermetallics. 2021;132(November 2020):1–6.
23.      Huang L, Cong DY, Ren Y, Wei KX, Wang YD. Effect of Al substitution on the magnetocaloric properties of Ni-Co-Mn-Sn multifunctional alloys. Intermetallics. 2020;119(January):106706. https://doi.org/10.1016/j.intermet.2020.106706
24.      Sepehri-Amin H, Taubel A, Ohkubo T, Skokov KP, Gutfleisch O, Hono K. Microstructural origin of hysteresis in Ni-Mn-In based magnetocaloric compounds. Acta Mater. 2018;147:342–9.
25.      Maziarz W, Czaja P, Szczerba MJ, Przewoźnik J, Kapusta C, Zywczak A, et al. Room temperature magneto-structural transition in Al for Sn substituted Ni-Mn-Sn melt spun ribbons. J Magn Magn Mater. 2013;348:8–16.
26.      Hau KX, Quang VM, Mai NT, Yen NH, Thanh PT, Thanh TD, et al. Influence of Co and Al on Magnetic Properties and Magnetocaloric Effect of (Ni, Co)-Mn-(Sn, Al) Alloys. J Electron Mater. 2019;48(10):6540–5.
27.      Pathak AK, Khan M, Dubenko I, Stadler S, Ali N. Large magnetic entropy change in Ni50 Mn50-x Inx Heusler alloys. Appl Phys Lett. 2007;90(26):26–9.
28.      Kumar Pathak A, Dubenko I, Mabon JC, Stadler S, Ali N. The effect of partial substitution of in by X = Si, Ge and Al on the crystal structure, magnetic properties and resistivity of Ni50Mn 35In15 Heusler alloys. J Phys D Appl Phys. 2009;42(4).
29.      Cullity BD. Elements of X-ray Diffraction. 3rd ed. Pearson; 1956.
30.      Wu Y, Guo S, Yu S, Cheng H, Wang R, Xiao H, et al. Premartensitic transition and relevant magnetic effects in Ni50Mn34In15.5Al0.5 alloy. Sci Rep. 2016;6(May):1–7.
31.      Ray MK, Bagani K, Singh RK, Majumdar B, Banerjee S. Effect of Al doping on structural and magnetic properties of Ni 50Mn37AlxSb13-x alloy. Vol. 448, Physica B: Condensed Matter. 2014. p. 33–7.
32.      Xiao HB, Yang CP, Wang RL, Marchenkov V V., Bärner K. Effect of alloying element Al substitution on Ni-Mn-Sn shape memory alloy by first-principle calculations. J Appl Phys. 2012;112(12):7–12.
33.      Singh K, Kaur D. Manifestation of martensitic phase transformation and magneto-caloric properties in high quality magnetron sputtered Ni-Mn-In//Si ultra thin films. Sensors Actuators, A Phys. 2015;236:247–56.
34.      Yang J, Li Z, Zhang X, Yang B, Yan H, Cong D, et al. Manipulation of thermal hysteresis and magnetocaloric effect in the Ni-Co-Mn-In alloys through lattice contraction: Effect of Ge substitution for In. Acta Mater. 2023;246(January).
35.      Dunand DC, Müllner P. Size effects on magnetic actuation in Ni-Mn-Ga shape-memory alloys. Adv Mater. 2011;23(2):216–32.
36.      Zhou ZN, Yang L, Li RC, Li J, Hu QD, Li JG. Martensitic transformations and kinetics in Ni-Mn-In-Mg shape memory alloys. Intermetallics. 2018;92(June 2017):49–54.
37.      Wang J, Han Y, Hua H, Wang X, Jiang C. Grain size effect on the martensitic transformation of Ni50Mn25Ga17Cu8 high-temperature shape memory alloy. Intermetallics. 2015;61:42–6. http://dx.doi.org/10.1016/j.intermet.2015.02.016
38.      Qu YH, Cong DY, Sun XM, Nie ZH, Gui WY, Li RG, et al. Giant and reversible room-temperature magnetocaloric effect in Ti-doped Ni-Co-Mn-Sn magnetic shape memory alloys. Acta Mater. 2017;134:236–48.
39.      Zhang Y, Zheng Q, Xia W, Zhang J, Du J, Yan A. Enhanced large magnetic entropy change and adiabatic temperature change of Ni43Mn46Sn11 alloys by a rapid solidification method. Scr Mater . 2015;104:41–4. http://dx.doi.org/10.1016/j.scriptamat.2015.04.004
40.      Kuang Y, Yang B, Hao X, Xu H, Li Z, Yan H, et al. Giant low field magnetocaloric effect near room temperature in isostructurally alloyed MnNiGe-FeCoGe systems. J Magn Magn Mater. 2020;506(January):166782. https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2020.166782
41.      Priolkar KR, Lobo DN, Bhobe PA, Emura S, Nigam AK. Role of Ni-Mn hybridization in the magnetism of the martensitic state of Ni-Mn-In shape memory alloys. Epl. 2011;94(3).
42.      Shen JL, Li MM, Zhao R Bin, Li GK, Ma L, Zhen CM, et al. Role of Ni-Mn hybridization in the martensitic transformation and magnetism of Mn50Ni41-xSn9Cux alloys. Wuli Xuebao/Acta Phys Sin. 2016;65(24).
43.      Romero Gómez J, Ferreiro Garcia R, De Miguel Catoira A, Romero Gómez M. Magnetocaloric effect: A review of the thermodynamic cycles in magnetic refrigeration. Renew Sustain Energy Rev. 2013;17:74–82.

  • تاریخ دریافت 21 خرداد 1403
  • تاریخ بازنگری 04 شهریور 1403
  • تاریخ پذیرش 05 شهریور 1403