REPOZITORIJ > REZULTATI

Povzetek

Magnetokalorični materiali so obetavni materiali za magnetne hladilnike, ki bi lahko zamenjali dosedanje kompresorske hladilnike. Delujejo na principu magnetokaloričnega efekta (MCE), kjer se magnetokaloričnemu materialu dvigne temperatura, če ga izpostavimo zunanjemu magnetnemu polju. Ta nova vrsta hladilnikov je energijsko bolj učinkovita in okolju bolj sprejemljiva.
Eden od obetavnih magnetokaloričnih materialov, odkrit 1997, je zlitina Gd5Si2Ge2 s tako imenovanim velikanskim magnetokaloričnim efektom (-ΔSm), zaradi njene istočasne strukturne in magnetne transformacije. Ta velikanski MCE ima tudi negativno lastnost, to so velikanske histerezne izgube, če material ciklično izpostavljamo zunanjemu magnetnemu polju. Da bi te izgube zmanjšali, so majhno količino germanija zamenjali z ţelezom. S tem so dosegli povečanje skupne hladilne kapacitete (NRC). Niţje histerezne izgube so razloţili z zaviranjem strukturne transformacije.
Cilj teze je bilo raziskovanje različnih načinov priprave zlitine Gd5Si2Ge2, kot so obločno taljenje, mletje in indukcijsko taljenje z hitrim ohlajanjem. Ţeleli smo tudi bolj natančno raziskovati efekt ţeleza na Gd5Si2Ge2. Zato smo raziskovali magnetne lastnosti, kot tudi makro, mikro ter nano strukturne spremembe za široko območje zamenjav z ţelezom. Vpliv ţeleza smo raziskovali na treh sistemih. V prvem sistemu smo zamenjali germanij z ţelezom po formuli Gd5Si2Ge2-xFex, kjer je x=0, 0.06, 0.125, 0.25, 0.5, 0.75 in 1. V drugem sistemu smo zamenjali silicij z ţelezom po formuli Gd5Si2-xGe2Fex, kjer je x=0, 0.06, 0.125, 0.25, 0.5, 0.75 in 1. V tretjem sistemu smo zamenjali silicij in germanij enakomerno z ţelezom po formuli Gd5Si2-x/2Ge2-x/2Fex, kjer je x=0, 0.06, 0.125, 0.25, 0.5, 0.75 in 1. Vzorci so bili pripravljeni z obločnim taljenjem in nato homogenizirali v inertni atmosferi. Nato so bili analizirani na optičnem mikroskopu, na vrstičnem elektronskem mikroskopu s poljsko emisijo (FEG SEM) ter presevnem elektronskem mikroskopu (TEM). Strukturne spremembe so bile analizirane z praškovnim rentgenskim difraktometrom, pri sobni temperaturi in pri temperaturi pod sobno. Magnetne lastnosti so bile izvedene na magnetometru z nihajočim vzorcem z nizko temperaturno enoto (VSM), ter z sistemom za merjenje fizikalnih lastnosti (PPMS) z dodatkom magnetometra z nihajočim vzorcem. Adiabatne temperaturne spremembe so bile izmerjene z modificiranim magnetokaloričnim merilnim sistemom.
Priprava Gd5Si2Ge2 z mletjem ali s taljenjem z hitrim ohlajanjem se je izkazalo kot zelo neprimerno. Obločno taljenje se je izkazalo kot najučinkovitejša metoda za izdelavo ţelene faze.
Zamenjava v vseh treh sistemih je pokazala zelo nenavadne makro strukture in skladno spremembo v mikrostrukturi vzorca. Ţelezo zmanjšuje koncentracijo silicija in germanija v glavni fazi, s tem da ustvari novo fazo med zrni. Zaradi zmanjšanja koncentracije Si in Ge se glavna matrična faze spremeni v Gd5(Si,Ge)3 fazo.
Nizko temperaturna praškovna difrakcija je potrdila strukturne spremembe v vzorcih SI in GESI. V vzorcih GE smo opazili delno strukturno spremembo. Ţelezo lahko zavira strukturno spremembo samo, če ga zamenjamo namesto germanija.
Opazili smo tudi, da ima ţelezo zelo velik vpliv na Curiejevo temperaturo Gd5Si2Ge2 faze. Če zamenjamo Si se temperatura TC zniţuje in če zamenjamo Ge se TC zvišuje. Če pa zamenjamo oba hkrati se temperatura magnetnega prehoda skoraj ne spremeni. V vseh zamenjavah se zniţuje -ΔSm. Razlika je v tem, da -ΔSm hitreje pada pri zamenjavah Ge kot pri drugih dveh sistemih. To je zaradi spremembe v Si/Ge razmerju v glavni fazi in zmanjšanjem deleţa le te na račun nove 5:3 faze. Opazili smo tudi širitev vrhov pri zniţanju -ΔSm vrednosti. Ta razširitev privede do zvišanje skupne hladilne kapacitete v vzorcih GESI glede na vzorec brez ţeleza.
Meritev adiabatnih temperaturnih sprememb je potrdila zniţanje magnetokaloričnega efekta z dodajanjem ţeleza. Sprememba z referenčnim vzorcem je primerljiva s -ΔSm spremembami, kje pride tudi do razširitve vrhov.
TEM raziskave so potrdile nastanek dvojčkov v Gd5Si2Ge2 zlitini. Rezultati tudi pokaţejo, da dodatek ţeleza privede do kompleksnih sprememb v strukturi materiala, kot so amorfne regije, dislokacije in planarne defekte, kot tudi kristalografsko sorodna zrna.
Dosegli smo zvišanje skupne hladilne kapacitete s skrbno zamenjavo elementov v Gd5Si2Ge2 zlitini z ţelezom. Prav tako lahko izdelamo zlitino z določeno Curiejevo temperaturo. S temi najdbami lahko ta material postane primeren kandidat za delovni material v magnetnem hladilniku.