Tez Arşivi

Hakkımızda

Tez aramanızı kolaylaştıracak arama motoru. Yazar, danışman, başlık ve özete göre tezleri arayabilirsiniz.


Orta Doğu Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Anabilim Dalı

Design and development of Ni-based heusler alloys for magnetic refrigeration

Manyetik soğutucular için Ni-tabanlı heusler alaşımlarının tasarlanması ve geliştirilmesi

Teze Git (tez.yok.gov.tr)

Bu tezin tam metni bu sitede bulunmamaktadır. Teze erişmek için tıklayın. Eğer tez bulunamazsa, YÖK Tez Merkezi tarama bölümünde 534245 tez numarasıyla arayabilirsiniz.

Özet:

Magnetic refrigeration has attracted increasing interest in the materials research communities because of its higher cooling efficiency and environmentally friendliness. In this thesis study, it is aimed to develop Ni-based Heusler alloys for use in magnetic refrigeration systems, which consists of two parts; the theoretical and experimental part. In the theoretical part of this thesis, in order to characterize the order-order (L21↔B2) and order-disorder (B2↔A2) phase transitions in A2BC type full Heusler alloys, statisco-thermodynamical theory of ordering by means of Bragg-Williams-Gorsky (BWG) method combined with electronic theory in the pseudopotential approximation were employed. The effect on ternary alloy element addition on ordering characteristics in Ni-Mn-C (C=Ga, In, Sb, Sn) Heusler alloys were studied and the L21↔B2 and B2↔A2 critical transformation temperatures were determined by calculating the partial ordering energies using the electronic theory of alloys in pseudopotential approximation. The results of these calculations were utilized to predict the most suitable potential alloying element (C) and its composition for the development of Ni-Mn-C magnetocaloric materials. In the experimental part of this thesis, by using the results obtained from the theoretical predictions, Ni-Mn-In alloy system was chosen and structural and magnetic analyses of Ni51Mn34In15 alloy were performed. Within this context, the effect of heat treatment processes on structural and magnetic properties of Ni-rich Ni51Mn34In15 Heusler alloy have been analysed by means of XRD, SEM, EDS and VSM techniques. While L21-type ordered crystal structure could not be detected in the as-cast alloy, however, after applying a proper heat treatment processes, formation of stable L21-type ordered structure in Ni51Mn34In15 alloy was succeeded, which is most desirable structure for magnetocaloric applications. To determine the magnetocaloric effect (MCE), the magnetic entropy changes (ΔSM) of the samples were calculated from the magnetic field dependent magnetization measurements. It was shown that the maximum of ΔSM reaches the magnitudes of 4.8 J/kg·K, 5.6 J/kg·K and 12.8 J/kg·K at 271 K, 294 K and 305 K temperatures at magnetic field change of ΔH=18 kOe for the as-cast, 24 hours-aged and 48 hours-aged Ni51Mn34In15 alloy, respectively. Consequently, large magnetic entropy changes with positive sign were observed in wide temperature ranges and these positive ΔSM values indicate that this alloy exhibits inverse MCE around the martensitic transformation temperature (TM). In addition to that, the relative cooling power (RCP) of the magnetocaloric material was calculated according to the magnetic entropy change. Results of the calculations reveal that application of heat treatment processes tends to increase magnitude of RCP parameter of Ni51Mn34In15 Heusler alloy.

Summary:

Manyetik soğutma, daha yüksek soğutma verimi ve çevre dostu olması sebebiyle malzeme araştırma komunitelerince giderek artan bir ilgi çekmektedir. Teorik ve deneysel olmak üzere iki bölümden oluşan bu tez çalışmasında manyetik soğutma sistemlerinde kullanılmak üzere Ni-tabanlı Heusler alaşımlarının geliştirilmesi amaçlanmıştır. Bu tezin teorik kısmında, A2BC tipi tam Heusler alaşımlarında düzen-düzen (L21↔B2) ve düzen-düzensizlik (B2↔A2) faz dönüşümlerini karakterize etmek için, istatiksel-termodinamik teorinin Bragg-Williams-Gorsky (BWG) metodu ile elektronik teorinin psödopotensiyel yaklaşımı kullanılmıştır. Psödopotensiyel yaklaşım içinde alaşımların elektronik teorisini kullanarak kısmi düzenleme enerjileri hesaplanmış, Ni-Mn-C (C=Ga, In, Sb, Sn) Heusler alaşımlarındaki düzen karakteristiklerine göre üçlü alaşım elementi incelenmiş ve L21 ↔ B2 ve B2 ↔ A2 kritik dönüşüm sıcaklıkları etkileri belirlenmiştir. Hesaplama sonuçları Ni-Mn-C manyetokalorik malzemelerin geliştirilmesi için en uygun potansiyel alaşım elementini (C) ve kompozisyonunu belirlemek için kullanılmıştır. Bu tezin deneysel bölümünde, teorik çalışmalardan elde edilen sonuçlar kullanılarak, Ni-Mn-In alaşım sistemi seçilmiş ve Ni51Mn34In15 alaşımının yapısal ve manyetik analizleri yapılmıştır. Bu kapsamda, ısıl işlem süreçlerinin Ni-zengin Ni51Mn34In15 Heusler alaşımının yapısal ve manyetik özelliklerine etkisi XRD, SEM, EDS ve VSM teknikleri ile analiz edilmiştir. L21 tipi düzenli kristal yapı ham döküm alaşımında tespit edilemese de uygun bir ısıl işlem prosesi uygulandıktan sonra Ni51Mn34In15 Heusler alaşımında kararlı L21 tipi düzenli yapının oluşumu başarılmıştır, ki bu da manyetokalorik uygulamalar için en çok istenen yapıdır. Manyetokalorik etkiyi (MCE) belirlemek için, manyetik alan bağımlı mıknatıslanma ölçümlerinden manyetik entropi değişimleri (ΔSM) hesaplanmıştır. Maksimum ΔSM değerlerinin ΔH=18 kOe manyetik alan değişiminde ham döküm, 24 saat yaşlandırılmış ve 48 saat yaşlandırılmış Ni51Mn34In15 alaşımı için sırasıyla, 4.8 J/kg·K, 5.6 J/kg·K ve 12.8 J/kg·K 271 K, 294 K ve 305 K'de ulaştığı gözlenmiştir. Sonuç olarak, geniş sıcaklık aralıklarında pozitif işaretli büyük manyetik entropi değişimleri gözlemlenmiştir ve bu pozitif ΔSM değerleri, bu alaşımın martensitik dönüşüm sıcaklığı (TM) etrafında ters MCE sergilediğini göstermektedir. Buna ek olarak, manyetokalorik malzemenin bağıl soğutma gücü (RCP) manyetik entropi değişimine göre hesaplanmıştır. Hesaplamaların sonuçları, ısıl işlem proseslerinin uygulanmasının Ni51Mn34In15 Heusler alaşımının RCP parametresinin büyüklüğünü artırdığını göstermektedir.