Bibliographie & annexes
Présentation
RÉSUMÉ
Cet article donne une vision actualisée des matériaux magnétocaloriques les plus performants et des applications envisagées. Les procédés de fabrication sont présentés ainsi que les innovations significatives. Les principales applications sont abordées. Les indices de performances des matériaux sont discutés. Les diagrammes de propriétés permettent de dégager les 3 familles de matériaux les plus prometteuses : manganites, La(Fe,Si)13 et les pnictures Mn2 xFex(P1 ySiy). On présente les procédés de fabrication des matériaux de type La(Fe, Si)13 et MnFe(P, Si). Sont discutés l’apport du refroidissement rapide et du frittage réactif. Le procédé « epoxy binding » qui permet de maximiser la surface d’échange entre le matériau magnétocalorique et le fluide calorifique est présenté.
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This article provides an up-to-date view of the best-performing magnetocaloric materials and their applications. Their manufacturing processes are presented, and their main applications are considered. Key performance indicators that drive the choice of a given material are discussed. Ashby plots of relevant properties point to three promising families of compounds: the manganites, the La(Fe, Si)13 - type compounds and the Mn2 xFex(P1 ySiy) pnictides. The last part concerns the manufacturing processes for La(Fe, Si)13 and MnFe(P, Si)-type materials. The beneficial input from rapid cooling and reactive sintering is discussed. The “epoxy binding” process, which enhances heat transfer between the material and the exchange fluid is presented.
Auteur(s)
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Charlotte MAYER : Ingénieur recherche et développement - Erasteel, Paris, France
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Salvatore MIRAGLIA : Chercheur CNRS - Équipe de recherche Matériaux, Rayonnements, Structure - Institut Néel, Grenoble, France
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Stéphane GORSSE : Maître de conférences - École Nationale Supérieure de Chimie, de Biologie et de Physique (ENSCBP) - Institut Polytechnique de Bordeaux (Bordeaux INP) - Institut de Chimie de la Matière Condensée de Bordeaux (ICMB-CNRS), Pessac, France
INTRODUCTION
L’effet magnétocalorique décrit le changement de température d’une substance magnétique en réponse à l’application ou à la suppression d’un champ magnétique. Sa découverte est attribuée à Warburg en 1881. Pour certains matériaux cet effet est suffisamment grand pour être exploité dans les systèmes de réfrigération magnétique autour de la température ambiante. Dans ce cas, le cycle thermodynamique de compression/détente du gaz frigorigène utilisé dans les systèmes conventionnels est remplacé par un cycle thermomagnétique d’aimantation/désaimantation d’un matériau à effet magnétocalorique qui joue le rôle de réfrigérant. Depuis quelques années la réfrigération magnétique suscite un intérêt croissant car elle représente une alternative plus efficace et moins polluante aux technologies classiques de production de froid. Avec les récents progrès réalisés au niveau de la performance des matériaux, la réfrigération magnétique atteint un niveau de maturité permettant d’envisager l’intégration de cette technologie dans un système opérationnel.
Cet article fait la synthèse de l’état de l’art dans le but de fournir une vision actualisée et focalisée sur les matériaux magnétocaloriques les plus performants et les plus proches des applications, avec une analyse globale des procédés et performances industrielles que l’on peut attendre aujourd’hui.
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MOTS-CLÉS
procédé de fabrication refroidissement rapide frittage réactif matériaux magnétocaloriques performants
KEYWORDS
manufacturing process | rapid cooling | reactive sintering | performant magnetocaloric materials
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Matériaux magnétocaloriques1. L’effet magnétocalorique et ses applications
Cette première partie est un rappel introductif à l’effet magnétocalorique et à ses applications principales. Il permet de restituer les grandeurs caractéristiques des matériaux et les objectifs liés au développement de ces derniers.
1.1 Principe de l’effet magnétocalorique
L’effet magnétocalorique (EMC) est une propriété intrinsèque des substances magnétiques qui se manifeste par une variation réversible de température lorsque celles-ci sont soumises à un champ magnétique. Cet effet est maximal autour de la température de mise en ordre magnétique, ou température de transition (cela peut être la température de Curie pour une mise en ordre ferromagnétique ou la température de Néel pour une mise en ordre antiferromagnétique ou ferrimagnétique). En ce point, la variation de l’aimantation du matériau subissant la mise en ordre magnétique est maximale et se traduit par une forte variation d’entropie magnétique, qui en raison du couplage magnétothermique induit une variation de température du matériau .
Pour un champ magnétique donné, l’entropie totale d’un matériau ferromagnétique est maximale au-dessus de sa température de Curie T C, dans l’état paramagnétique, et diminue lorsque le réseau magnétique se met en ordre en passant dans le domaine ferromagnétique, en dessous de T C. La variation d’entropie atteint ainsi son maximum autour de T C.
La figure 1 montre de façon schématique l’évolution de l’entropie totale S d’un matériau ferromagnétique, en fonction de la température, pour deux valeurs de champ magnétique appliqué H 1 et H 2 avec H 2 > H 1. Sur cette figure 1 apparaissent également les grandeurs qui caractérisent l’effet magnétocalorique et qui sont utilisées en pratique pour guider les développements : la variation isotherme d’entropie magnétique ΔS m(T 1) et...
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L’effet magnétocalorique et ses applications
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - CAMUS (P.) et al - Cryogenics. - 52 (10) 471 (2012).
-
(2) - ZIMM (C.), JASTRAB (A.), STERNBERG (A.), PECHARSKY (V.), GSCHNEIDNER Jr. (K.A.) - Adv. Cryog. Eng., - 43 1759 (1998).
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(3) - REID (C.E.), BARCLAY (J.A.), HALL (J.L.), SARANGI (S.) - J. Alloys Compd. - 207-208 366-371 (1994).
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(4) - SMAÏLI (A.), CHAHINE (R.) - Cryogenics - 38 247-252 (1998).
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(5) - PECHARSKY (V.K.), GSCHNEIDNER Jr. (K.A.) - J. Magn. Magn. Mater. - 200 44 (1999).
-
(6) - KITANOVSKI (A.) et al. - Magnetocaloric Energy Conversion – From Theory to Application, - Green Energy and Technology, Ed. Springer (2015).
-
...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
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Réfrigération magnétique.
ANNEXES
Article for magnetic heat exchange and method of manufacturing the same WO2008/099234
Method for manufacturing a magnetocaloric element, and magnetocaloric element thus obtained WO2013/135908
High porosity particulate beds structurally stabilized by epoxy WO 2015038355 A1.
HAUT DE PAGELaboratoires ayant une activité de recherche dans le domaine des matériaux magnétocaloriques :
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Université de Ljubljana, Slovénie
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The Blackett Laboratory, Imperial College Londres, Royaume Uni
-
Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica, Turin, Italie
-
IMEM-CNR, Parme Italie
-
Université de Gênes, Italie
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IFW Dresden, Dresde Allemagne
-
Technische Universität Darmstadt Allemagne
-
TU Delft, Fundamental Aspects of Materials and Energy, Delft, Pays Bas
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KTH Royal Institute of Technology, Stockholm, Suède
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Technical University of Denmark Roskilde, Danemark
-
Institut de Chimie et des Matériaux de Paris Est, CNRS Thiais, France
-
Femto-ST, CNRS Belfort, France
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Univ. Paris Saclay, SATIE, Cachan, France
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CRISMAT, CNRS ENSICAEN Caen, France
-
G2Elab, Univ. Grenoble Alpes – CNRS, Grenoble France
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Institut Jean Lamour, CNRS Vandoeuvre-lès-Nancy, France
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LGeCo, INSA Strasbourg France
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Institut Néel CNRS, Univ. Grenoble Alpes, Grenoble, France
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Institut de Chimie de la Matière Condensée de Bordeaux, France
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HEIG-VD (Haute École d’Ingénierie et de Gestion du Canton de Vaud), Yverdon les Bains, Suisse
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ICMA, Université...
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