Magnetokalorische Regeneratoren aus (Mn,Fe)2(P,Si)- und La(Fe,(Co),Si)13-Legierungen

Diese Arbeit befasst sich mit unterschiedlichen werkstoffwissenschaftlichen Fragestellungen auf dem Gebiet der magnetokalorischen Kühlung. Magnetokalorische Materialien, z.B. (Mn,Fe)2(P,Si)- oder La(Fe,(Co),Si)13-Legierungen, erwärmen sich bzw. kühlen ab, wenn das Material unter adiabatischer Prozessführung und einer Umgebungstemperatur nahe der magnetischen Phasenübergangstemperatur einem externen Magnetfeld ausgesetzt bzw. daraus entfernt wird. Der magnetokalorische Effekt (MKE) von Materialien kann, bei zyklischer Wiederholung von Magnetisierung und Entmagnetisierung, in einer Wärmepumpe genutzt werden, um Wärme von einer Substanz oder einem Raum abzuführen. Ein Wärmetauscher aus magnetokalorischem Material – der magnetokalorische Regenerator – ist, neben einem Magnet- und Pumpensystem, das essenzielle Bauteil in magnetokalorischen Wärmepumpen und Kältemaschinen. Regeneratoren können aus Schichten unterschiedlicher Pulverchargen eines magnetokalorischen Materials bestehen, dass mit einem Polymer gebunden wird. Der Aufbau von konventionellen (Mn,Fe)2(P,Si)-Pulverschüttungen wird in der vorliegenden Arbeit anhand zerstörungsfreier Röntgencomputertomographie überprüft. Neben individuellen Merkmalen einer Pulvercharge, können entlang der Schichtstapelrichtung auftretende Porositätsvariationen zur Detektion von Schichten genutzt werden. Weiterführend werden magnetische Wechselwirkungen der einzelnen Partikel und Schichten in einem (Mn,Fe)2(P,Si)-Regenerator mittels magneto-optischer Bildgebung untersucht. In La(Fe,(Co),Si)13-Legierungen geht der MKE mit einer zusammensetzungsabhängigen Volumenänderung der Elementarzelle einher, die das Material unter Umständen katastrophal versagen lässt. Die Festigkeit der Legierung spielt sowohl für die Langzeitstabilität als auch die Verarbeitung mit Maschinen eine wesentliche Rolle. Im Rahmen der Arbeit wurde eine intermetallische LaFe10,2Si1,8-Legierung auf unterschiedlichen Längenskalen mechanischen Prüfungen unterzogen. Die Festigkeit ist von inneren Defekten (Mikrorisse, Zweitphasen) beeinflusst, weshalb Druckversuche zur Eigenschaftsbestimmung ungeeignet sind. Lokale Härtemessungen hingegen erlauben eine Abschätzung der intrinsischen Festigkeit der magnetokalorischen Hauptphase von 2GPa. Damit lassen sich Experimente zur Langzeitstabilität unter wiederholt induziertem Phasenübergang erklären. Abschließend wird ein Verfahren demonstriert, dass es ermöglicht magnetokalorische Kompositdrähte mit einem La(Fe,(Co),Si)13-Kern und einer rostfreiem Stahlhülle herzustellen. Drahthalbzeuge sind Geometrien, die bisher nicht für den Aufbau von Regeneratoren in Erwägung gezogen wurden, da sie nicht herstellbar waren. Drähte bieten ein hohes Maß an Anordnungsfreiheit und bereichern die Vielfalt möglicher Regeneratorgeometrien. Das Material wird durch die Stahlhülle sowohl vor chemischen Einflüssen geschützt, als auch mechanisch stabilisiert, und mit Kernvolumenanteilen von bis zu ∼ 60 vol% sind die Drähte für den Einsatz in einer Wärmepumpe geeignet.