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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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Lire l’articleAuteur(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
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2. Matériaux magnétocaloriques
Les recherches sur les matériaux magnétocaloriques réalisées depuis 10 ans visent à la découverte et au développement de matériaux applicables à la production de froid autour de la température ambiante. Ainsi, le premier critère de choix est la température de Curie, qui doit se trouver dans une gamme entre –20 et 40 °C. L’année 1997 a véritablement relancé la recherche sur l’effet magnétocalorique en l’orientant vers les applications de réfrigération autour de l’ambiante. Du coté des systèmes d’une part, cette année a été celle de la conception d’un prototype de réfrigérateur magnétique démontrant que cette technologie était viable et compétitive avec un gain potentiel d’énergie de 30 %. D’autre part, l’année 1997 a également été marquée par la mise en évidence par Gschneidner et Pecharsky d’un effet magnétocalorique dit « géant » dans le composé Gd5Si2Ge2 . Depuis lors, le développement de matériaux aux propriétés magnétocaloriques « géantes », ayant une Température de Curie proche de l’ambiante et ajustable a permis de découvrir plusieurs familles de matériaux magnétocaloriques prometteurs telles que les Gd5(Si1 – x Ge x )4, les phases de Laves RM2 (avec M = Al, Co ou Ni et R un lanthanide), les alliages d’Heusler, les La(Fe1 – x Si x )13 et leurs hydrures, les Mn(As1 – x Sb x ) puis MnFe(P1 – x X x ) (avec X = As, Si, Ge), et les manganites de type R1 – x M x MnO3 (avec R un...
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Matériaux magnétocaloriques
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - CAMUS (P.) et al - Cryogenics. - 52 (10) 471 (2012).
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(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).
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DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
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
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Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica, Turin, Italie
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IMEM-CNR, Parme Italie
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Université de Gênes, Italie
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IFW Dresden, Dresde Allemagne
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Technische Universität Darmstadt Allemagne
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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
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Institut de Chimie et des Matériaux de Paris Est, CNRS Thiais, France
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Femto-ST, CNRS Belfort, France
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Univ. Paris Saclay, SATIE, Cachan, France
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CRISMAT, CNRS ENSICAEN Caen, France
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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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