Dissipation losses limiting first-order phase transition materials in cryogenic caloric cooling: A case study on all-d-metal Ni(-Co)-Mn-Ti Heusler alloys

磁制冷 材料科学 凝聚态物理 热力学 无扩散变换 绝热过程 消散 磁化 磁滞 马氏体 磁场 冶金 物理 微观结构 量子力学
作者
Benedikt Beckmann,David Koch,Lukas Pfeuffer,Tino Gottschall,Andreas Taubel,Esmaeil Adabifiroozjaei,О. Н. Мирошкина,Stefan Riegg,Timo Niehoff,Nagaarjhuna A. Kani,Markus E. Gruner,Leopoldo Molina‐Luna,Konstantin Skokov,Oliver Gutfleisch
出处
期刊:Acta Materialia [Elsevier]
卷期号:246: 118695-118695 被引量:14
标识
DOI:10.1016/j.actamat.2023.118695
摘要

Ni-Mn-based Heusler alloys, in particular all-d-metal Ni(-Co)-Mn-Ti, are highly promising materials for energy-efficient solid-state refrigeration as large multicaloric effects can be achieved across their magnetostructural martensitic transformation. However, no comprehensive study on the crucially important transition entropy change $\Delta s_t$ exists so far for Ni(-Co)-Mn-Ti. Here, we present a systematic study analyzing the composition and temperature dependence of $\Delta s_t$. Our results reveal a substantial structural entropy change contribution of approximately 65 J(kgK)$^{-1}$, which is compensated at lower temperatures by an increasingly negative entropy change associated with the magnetic subsystem. This leads to compensation temperatures $T_{comp}$ of 75 K and 300 K in Ni$_{35}$Co$_{15}$Mn$_{50-y}$Ti$_{y}$ and Ni$_{33}$Co$_{17}$Mn$_{50-y}$Ti$_{y}$, respectively, below which the martensitic transformations are arrested. In addition, we simultaneously measured the responses of the magnetic, structural and electronic subsystems to the temperature- and field-induced martensitic transformation near $T_{comp}$, showing an abnormal increase of hysteresis and consequently dissipation energy at cryogenic temperatures. Simultaneous measurements of magnetization and adiabatic temperature change $\Delta T_{ad}$ in pulsed magnetic fields reveal a change in sign of $\Delta T_{ad}$ and a substantial positive and irreversible $\Delta T_{ad}$ up to 15 K at 15 K as a consequence of increased dissipation losses and decreased heat capacity. Most importantly, this phenomenon is universal, it applies to any first-order material with non-negligible hysteresis and any stimulus, effectively limiting the utilization of their caloric effects for gas liquefaction at cryogenic temperatures.
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