Fe tabanlı alaşımlarda manyetokalorik etki
Magnetocaloric effect on iron-based alloys
Yazar: NECATİ ERHAN CENGİZ
Danışman: PROF. DR. SELÇUK ATALAY
İnönü Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering
Dizin: Manyetik sistemler = Magnetic systems ; Manyetokalorik etki (MKE) = Magnetocaloric effect (MCE) ; Metallerarası bileşikler = Intermetallic compounds ; Soğutma = Cooling

Özet:
Manyetik malzemelerin manyetokalorik özellikleri mühendislik ve teknoloji uygulamaları açısından büyük önem taşımaktadır. Özellikle manyetokalorik etkinin çevre dostu ısıtma ve soğutma teknolojileri ile biyomedikal amaçlı uygulamalarda büyük bir potansiyele sahip olması bilim insanları açısından oldukça dikkat çekici olmakla birlikte; araştırmacılar tarafından deneysel ve teorik olarak yoğun bir şekilde çalışılmaktadır. Nitekim yapılan çalışmaların sahip olduğu bazı sınırlılıklar ile birlikte; yüksek soğutma etkisi açısından sadece büyük manyetik entropi değişiminin değil aynı zamanda soğutma kapasitesinin de soğutma malzemesi olarak uygulamada önemli olduğuna dikkat çekilmiştir. Buna göre, soğutma kapasitesi bakımından,  ikinci derece manyetik faz geçişli materyallerin geniş bir sıcaklık aralığında  nispeten büyük bir manyetik entropi değişimi gösterdiğinden hareketle, bu çalışmada Fe atomlarının Al, Si, Ga, V, Mo, Nb, W, Zr, Co, Ni, Cr, Mn, Ni gibi bir çok atom ile değiştirilmesi ile Curie sıcaklığının ve manyetokalorik özelliklerin geliştirilmesi amaçlanmaktadır. Bu amaç kapsamında çalışma kapsamında belirtilen stokimetrik oranlarda ve yüksek saflıkta arc melting sistematiği ile hazırlanan Pr2Fe17-xCux (X=0, 0.1, 0.2)  ve Pr2Fe17-xTix (x = 0, 0.2, 0.4, 0.6) numunelerinin doğrudan ve dolaylı ölçümleri ile X-ışını kırınımı (XRD), taramalı elektron mikroskopu (SEM) ve manyetisazyon ölçümleri ile yapısal, manyetik ve manyetokalorik özellikleri üzerindeki etkileri incelenerek manyetik soğutma teknoloji uygulamalarına katkı sağlanması hedeflenmektedir. Elde edilen sonuçlar SEM analizleri, numunelerin 0.5μm'den 4μm 'ye kadar güçlü bağ yapmış micron ölçekli parçacıkların düzensiz şekillerinden oluştuğunu gösterirken; EDX analizleri ise tüm örneklerinin tek fazda olduğunu ortaya koymaktadır. Bununla birlikte, tüm numuneler ferromanyetik fazdan paramanyetik faza geçiş göstermektedir. Ayrıca Cu ve Ti eklenen numuneler için Curie sıcaklığı artarken; Cu eklenen numuneler için maksimum entropi değişimi, (x = 0, 0.1, 0.2), sırası ile 5.63, 5.28 ve 4.21 J/kg.K , RCP ise 404.8, 373.6, 288.3 (J/kg) olarak belirlenmiştir. Ti eklenen numuneler için maksimum entropi değişimi, (x=0, 0.2, 0.4, 0.6), sırası ile  5.62, 4.75, 5.18, 4.28 (J/kg.K), RCP ise 455.89, 415.22, 429.93, 362.59 (J/kg) olarak belirlenmiştir. Arrot plot eğrileri ve Landau analizi tüm örneklerin ikinci düzen faz geçişinde olduğunu göstermektedir. Çalışmada elde edilen sonuçlar üretilen numunelerin potansiyel bir manyetik soğutucu malzemesi olduğunu göstermektedir.

Anahtar Kelimeler: Manyetokalorik Etki, Manyetik Soğutma, Curie Sıcaklığı, İntermatalik Bileşikler

Abstract:
The magnetocaloric properties of magnetic materials are of great importance in terms of engineering and technology applications. Although it is quite remarkable for scientists that the magnetocaloric effect has a great potential in environmentally friendly heating and cooling technologies and biomedical applications; It has been extensively studied experimentally and theoretically by researchers. As a matter of fact, with some limitations of the studies; It has been pointed out that not only the large magnetic entropy change but also the cooling capacity is important in the application as a cooling material in terms of high cooling effect. Accordingly, in terms of cooling capacity, since materials with second-order magnetic phase transition show a relatively large magnetic entropy change over a wide temperature range, in this study, it was concluded that .Fe atoms of Al, Si, Ga, V, Mo, Nb, W, Zr, Co, Ni It is aimed to improve the Curie temperature and magnetocaloric properties by replacing it with many atoms such as Cr, Mn, Ni. For this purpose, direct and indirect measurements of Pr2Fe17-xCux (X=0, 0.1, 0.2) and Pr2Fe17-xTix (x = 0, 0.2, 0.4, 0.6) samples, which were prepared with high purity arc melting systematic and at stoichiometric ratios specified in the scope of the study, were investigated. It is aimed to contribute to magnetic cooling technology applications by examining the effects on the structural, magnetic and magnetocaloric properties of X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscope (SEM) and magnetization measurements. Among the results obtained, SEM analyzes showed that the samples consisted of irregular shapes of micron-sized particles with a strong bond from 0.5μm to 4μm; EDX analyzes show that all samples are in single phase. However, all samples show transition from ferromagnetic to paramagnetic phase. In addition, while the Curie temperature increased for Cu and Ti added samples; The maximum entropy change for Cu added samples (x = 0, 0.1, 0.2) was determined as 5.63, 5.28 and 4.21 J/kg.K, respectively, and RCP as 404.8, 373.6, 288.3 (J/kg). The maximum entropy change for Ti added samples (x=0, 0.2, 0.4, 0.6), respectively, was 5.62, 4.75, 5.18, 4.28 (J/kg.K), RCP was 455.89, 415.22, 429.93, 362.59 (J/kg) ) was determined. Arrot plot curves and Landau analysis show that all samples are in second order phase transition. The results obtained in the study show that the produced samples are a potential magnetic coolant material.

Keywords: Magnetocaloric Effect, Magnetic Cooling, Curie Temperature, Intermetallic Compounds