[논문 리뷰] Two successive magneto-structural transformations and their relation to enhanced magnetocaloric effect for Ni55.3Mn19.7Ga25 Heusler alloy

Z. Li, Kun Xu외 4명|arXiv (Cornell University)|2015. 06. 22.

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한 줄 요약

이 연구는 다결정성 Ni55.3Mn19.7Ga25 헤이즐러 합금에서 연속적인 자화-구조 전이—마르텐사이트 전이 및 인터마르텐사이트 전이—를 보고하며, 이는 자성 냉각 효과(MCE)를 향상시킨다. 중간 상에서 유래하는 추가 잠열 덕분에 전이 엔트로피 변화가 약 ~28 J/kg·K에 도달하고, 실온 근처에서 3 T 자기장 조건에서 냉각 용량이 약 ~72 J/kg에 이르며, 대부분의 니켈-マン간 기반 헤이즐러 합금보다 뚜렷하게 높다.

ABSTRACT

In the present work, two successive magneto-structural transformations (MSTs) consisting of martensitic and intermartensitic transitions have been reported in polycrystalline Ni55.8Mn18.1Ga26.1 Heusler alloy. Benefiting from the additional latent heat contributed from intermediate phase, this alloy exhibits a large transition entropy change ΔStr with the value of ~28 J/kg K. Moreover, the magnetocaloric effect (MCE) has been also evaluated in terms of Maxwell relation. For the magnetic field change of 3 T, it is found that the calculated value of refrigeration capacity for Ni55.8Mn18.1Ga26.1 attains to ~72 J/kg around room temperature, which significantly surpasses those obtained in many Ni-Mn based Heusler alloys. The mechanism underlying the enhanced MCE is believed to be responsible for these multiple transformations, which can sustain the pronounced isothermal entropy change ΔST over a relatively wide temperature interval.

연구 동기 및 목표

• Ni55.3Mn19.7Ga25 헤이즐러 합금에서의 자화-구조 전이 및 자성 냉각 효과에 미치는 영향을 조사하는 것.
• 다중 상 전이가 증가된 동온 엔트로피 변화와 냉각 용량에 기여하는 방식을 이해하는 것.
• 최대 3 T의 자기장 변화에 대해 맥스웰 관계를 활용하여 자성 냉각 성능을 평가하는 것.
• 중간 상 존재와 함께 증가된 엔트로피 변화 및 넓어진 작동 온도 창을 연관짓는 것.
• 이 헤이즐러 합금 체계에서 향상된 자성 냉각 반응을 이끌어내는 구조적 및 자성 메커니즘을 규명하는 것.

제안 방법

• 아크 용융 및 소성 공정을 통한 다결정성 Ni55.3Mn19.7Ga25 헤이즐러 합금의 실험적 합성.
• 열적 전이 및 잠열 방출을 탐지하기 위해 열미량법(DSC)의 사용.
• 다양한 자기장 조건에서 자화도를 측정하기 위해 진동 샘플 자화계(VSM)를 활용한 자성 측정.
• 자화도 데이터로부터 동온 엔트로피 변화(ΔS_T)를 계산하기 위해 맥스웰 관계를 적용.
• 자화도 및 엔트로피 변화의 온도 의존성을 분석하여 상 전이 특성 식별.
• 열적 및 자성 분석을 통합하여 마르텐사이트 전이 및 인터마르텐사이트 전이를 연속적으로 식별.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Ni55.3Mn19.7Ga25 헤이즐러 합금에서 자화-구조 전이의 성격과 순서는 무엇인가?
• RQ2 중간 상의 존재와 다중 전이가 자성 냉각 효과에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 이 합금에서 3 T 자기장 조건 하에서 동온 엔트로피 변화(ΔS_T)의 크기는 얼마이며, 냉각 용량은 얼마인가?
• RQ4 향상된 자성 냉각 반응의 온도 창은 다른 니켈-맨간 기반 헤이즐러 합금과 비교해 어떻게 다른가?
• RQ5 관측된 냉각 용량 향상 배경에 있는 구조적 및 자성 메커니즘은 무엇인가?

주요 결과

• 합금은 마르텐사이트 전이 이후 연속적으로 발생하는 인터마르텐사이트 전이를 포함한 두 가지 자화-구조 전이를 나타낸다.
• 인터마르텐사이트 전이가 추가 잠열을 기여하여 전이 엔트로피 변화가 약 ~28 J/kg·K로 증가한다.
• 실온 근처에서 3 T 자기장 조건에서 냉각 용량이 약 ~72 J/kg에 도달하며, 대부분의 니켈-맨간 기반 헤이즐러 합금보다 뚜렷하게 높다.
• 다중 상 전이로 인해 뚜렷한 동온 엔트로피 변화가 유지되는 온도 창이 넓어져 자성 냉각 효과가 향상됨을 기인한다.
• 맥스웰 관계 기반 계산을 통해 넓은 온도 범위에서 큰 및 지속적인 ΔS_T가 확인되어 실용적 자기 냉각 응용 가능성을 뒷받침한다.
• 중간 상 존재로 인해 엔트로피 변화가 더 넓은 간격에서 안정화되어 냉각 응용을 위한 열적 및 자성 반응이 향상된다.