- Titel
- Untersuchung zum multikalorischen Effekt von Heusler-Verbindungen und von Tb3Ni
- Zitierfähige Url:
- https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:bsz:14-qucosa2-1028415
- Erstveröffentlichung
- 2026
- Datum der Einreichung
- 21.07.2025
- Datum der Verteidigung
- 20.01.2026
- Abstract (DE)
- Angesichts des fortschreitenden Klimawandels und des hohen Energieverbrauchs konventioneller Kühltechnologien besteht ein dringender Bedarf an umweltfreundlichen Alternativen. Die Festkörperkühlung, insbesondere der magnetokalorische Effekt, stellt hierbei einen vielversprechenden Lösungsansatz dar. Die breite Anwendung dieser Technologie wird jedoch durch das Fehlen geeigneter Materialien gebremst. Im ersten Teil dieser Arbeit adressiere ich zwei zentrale Herausforderungen für die multikalorische Kühlung, die auf der Nutzung magneto- und elastokalorischer Effekte durch eine breite Hysterese basiert. Zum einen untersuche ich die mechanische Instabilität von Heusler-Legierungen, zum anderen die Optimierung dieser Verbindungen. Zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften spröder elastokalorischer Materialien untersuche ich Powder-in-Tube-Proben. In diesem Komposit übernimmt eine Stahlhülle die mechanische Stabilisierung eines magnetokalorischen Kerns. Dadurch lässt sich das Materialdesign gezielt auf die Maximierung der kalorischen Eigenschaften ausrichten, was das Spektrum potenziell geeigneter Materialien deutlich erweitert. Die Praxistauglichkeit der Methode validiere ich durch Pulsfeldmessungen, die belegen, dass die Hülle die kalorische Leistung nicht beeinträchtigt, während zyklische Dauertests (100 000 Zyklen, 250MPa) eine hervorragende mechanische Langlebigkeit bestätigen, was Computertomographie-Aufnahmen verifizieren. Durch einen neuen Messaufbau konnte ich zudem den Umwandlungsanteil des druckinduzierten Phasenübergangs qualitativ bestimmen. Darüber hinaus entwickle ich ein phänomenologisches Modell, das erstmals Kriterien für ein optimales Materialdesign quantifiziert und so eine Grundlage für die zukünftige Leistungsmaximierung schafft. Als zweiten Schwerpunkt widme ich mich einer fundamentalen Problematik bei der Charakterisierung magnetokalorischer Materialien. Ich weise nach, dass die verbreitete Bestimmung des magnetokalorischen Effekts aus Magnetisierungsmessungen und der Maxwell-Beziehung bei bestimmten Materialien zu gravierenden Fehlinterpretationen führen kann. Am Fallbeispiel von Tb3Ni zeige ich diese Fehlerquelle exemplarisch. Während indirekte Messungen einen starken inversen kalorischen Effekt vorhersagen, widerlegen Messungen der spezifischen Wärme diesen. Direkte Messungen der adiabatischen Temperaturänderung offenbaren stattdessen eine starke dissipative Erwärmung bei tiefen Temperaturen, was dasMaterial für Kühlanwendungen ungeeignet macht. Mit einem theoretischen Modell verdeutliche ich zudem, dass dieses Phänomen fundamental ist und bei vielen Materialien mit Phasenübergängen erster Ordnung auftreten kann.
- Abstract (EN)
- Given the progression of climate change and the high energy consumption of conventional cooling technologies, there is an urgent need for environmentally friendly alternatives. Solid-state cooling, particularly via the magnetocaloric effect, offers a promising solution. However, the widespread adoption of this technology is currently limited by the scarcity of suitable materials. In the first part of this thesis, I address two central challenges in multicaloric cooling, that is based on the exploitation of magnetocaloric and elastocaloric effects through a wide hysteresis. On the one hand, I investigate the mechanical instability of Heusler alloys, on the other hand, the optimization of these compounds. To improve the mechanical properties of brittle elastocaloric materials, I investigate powder-in-tube samples. In this composite, a steel shell provides mechanical stabilization for a magnetocaloric core, allowing the material design to focus solely on maximizing caloric properties. This significantly broadens the range of viable materials. I demonstrate the practicality of this method through pulsed-field measurements, which confirm that the shell does not compromise caloric performance. Additionally, long-term cyclic tests (100 000 cycles at 250MPa) reveal excellent mechanical durability, as verified by computed tomography scans. I further present a newly developed experimental setup that enables the quantitative determination of the fraction of the pressure-induced phase transition. Finally, I propose a phenomenological model that, for the first time, defines quantitative criteria for optimal material design, laying the groundwork for future performance optimization. In the second part of this thesis, I address a fundamental issue in the characterization of magnetocaloric materials. I show that the commonly used method of determining the magnetocaloric effect from magnetization measurements via the Maxwell relation can lead to significant misinterpretations in certain cases. This source of error is exemplified using the compound Tb3Ni. While indirect methods suggest a strong inverse magnetocaloric effect, specific-heat measurements contradict this prediction. Direct measurements of the adiabatic temperature change instead reveal pronounced dissipative heating at low temperatures, rendering the material unsuitable for cooling applications. Furthermore, using a theoretical model, I demonstrate that this phenomenon is intrinsic and may arise in a wide range of materials undergoing first-order phase transitions.
- Freie Schlagwörter (DE)
- Heusler-Verbindungen, Tb3Ni, magnetokalorischer Effekt, multikalorischer Effekt, magnetische Kühlung
- Freie Schlagwörter (EN)
- Heusler compounds, Tb3Ni, magnetocaloric effect, multicaloric effect, magnetic refrigeration
- Klassifikation (DDC)
- 530
- Klassifikation (RVK)
- UP 6000
- GutachterIn
- Prof. Dr. Joachim Wosnitza
- Prof. Dr. Heiko Wende
- BetreuerIn Hochschule / Universität
- Dr. Tino Gottschall
- Den akademischen Grad verleihende / prüfende Institution
- Technische Universität Dresden, Dresden, Dresden
- Sonstige beteiligte Institution
- Helmholtz Zentrum Dresden-Rossendorf - HZDR, Dresden
- Version / Begutachtungsstatus
- publizierte Version / Verlagsversion
- URN Qucosa
- urn:nbn:de:bsz:14-qucosa2-1028415
- Veröffentlichungsdatum Qucosa
- 10.03.2026
- Dokumenttyp
- Dissertation
- Sprache des Dokumentes
- Deutsch
- Lizenz / Rechtehinweis
CC BY 4.0- Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung 2 Grundlagen 2.1 Magnetokalorischer Effekt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 2.1.1 Magnetische Kühlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 2.2 Kalorische Effekte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 2.2.1 Kalorische Materialien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 2.2.2 Multikalorischer Effekt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 2.2.3 Multikalorische Kühlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 2.2.4 Bibliometrische Netzwerkanalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 2.3 Heuslersche Legierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 2.4 Phasenübergänge erster und zweiter Ordnung . . . . . . . . . . . . . . . . 26 3 Theoretische Grundlagen 31 3.1 Entropie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 3.2 Makroskopische Betrachtung: Thermodynamik . . . . . . . . . . . . . . . 32 3.3 Mikroskopische Betrachtung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 3.3.1 Entropie des freien Elektronengases . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 3.3.2 Phononische Entropie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 3.3.3 Magnetische Entropie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 4 Experimentelles 47 4.1 Herstellung der Heusler- und PIT-Proben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 4.2 Charakterisierung der magnetokalorischen Eigenschaften . . . . . . . . . . 48 4.3 Charakterisierung der mechanischen Eigenschaften . . . . . . . . . . . . . . 51 5 Heusler-Verbindungen zur multikalorischen Kühlung 53 5.1 Das Potential multikalorischer Kühlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 5.2 Heusler-Volumenmaterial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 5.2.1 Optimieren des Heusler-Volumenmaterials . . . . . . . . . . . . . . 54 vii 5.2.2 Magnetokalorische Eigenschaften einer Heusler-Volumenprobe . . . 60 5.2.3 Optimierung von Heusler-Materialien für die multikalorische Kühlung mittels Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 5.2.4 Multikalorische Eigenschaften der Heusler-Probe . . . . . . . . . . . 74 5.3 PIT-Probe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 5.3.1 Einfluss der Wärmebehandlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 5.3.2 Magnetokalorische Eigenschaften der PIT-Probe . . . . . . . . . . . 77 5.3.3 Elastokalorische Eigenschaften der PIT-Probe . . . . . . . . . . . . 80 5.3.4 Belastbarkeit der PIT-Proben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 5.4 Kapitelzusammenfassung und Ausblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 5.4.1 Multikalorische Kühlung bei tiefen Temperaturen . . . . . . . . . . 90 6 Tb3Ni 93 6.1 Übersicht über Tb3Ni . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 6.1.1 Probenherstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 6.2 Ergebnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 6.2.1 Phasendiagramm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 6.2.2 Spezifische Wärme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 6.2.3 Magnetisierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 6.2.4 Magnetokalorischer Effekt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 6.2.5 Adiabatische Temperaturänderung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 6.2.6 Simultane Messungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 6.2.7 Theoretische Beschreibung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 6.2.8 Rotationsmagnetokalorischer Effekt inTb3Ni . . . . . . . . . . . . . 119 6.3 Kapitelzusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125 7 Zusammenfassung 127 Literaturverzeichnis