Propriétés magnétocaloriques

En utilisant l’équation de Maxwell, une estimation de la variation d’entropie peut être déterminée à partir des courbes d’aimantation en fonction de la température et du champ magnétique M(T, H) : Équation 5.9: (^𝜕 _𝜕 ) 𝑃, = (_𝜕 ^𝜕 ) 𝑃, 𝑆(𝑇, 𝐻₁ → 𝐻₂) = ∫ 2 1 (^𝜕 _𝜕 ) 𝑃, 𝑑𝐻

avec ∆S la variation d’entropie entre un champ initial H1 et un champ final H2.

Dans la littérature, les grandeurs caractéristiques des potentialités magnétocaloriques sont la variation d’entropie ∆S et le RCP (Relative Cooling Power). Le RCP se calcule simplement par : la multiplication de l’entropie maximale par la largeur à mi-hauteur du pic d’entropie. A cette valeur doit être retranchée l’énergie associée à l’hystérésis magnétique.

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L’évolution de la variation d’entropie en fonction de la température sous différents champs magnétiques, est montrée sur la Figure 5.87.

L’échantillon de composition Ni45,2Co4,7Mn36,2In13,9 a une valeur de ∆S sous 5 T de 4 J/kgK à 350 K, conduisant à une valeur de RCP (Relative Cooling Power) de 22 J/kg sous 1 T et de 117 J/kg sous 5 T. Ces valeurs sont conséquentes, par comparaison avec celles d’un film mince de gadolinium épitaxié sur du tungstène donnant une valeur de RCP de 240 J/kg sous 3 T et du gadolinium massif donnant une valeur de RCP de 410 J/kg sous 5 T (C.W. Miller, 2010).

Figure 5.87: Variation de l'entropie en fonction de la température, sous différents champs magnétiques. En vert, est montrée la méthode de calcul du RCP.

III) Elaboration d’un dispositif magnéto-actif

Suite à l'élaboration du film de composition Ni45,2Co4,7Mn36,2In13,9 nous avons effectué un test de dispositif fonctionnel basé sur la transformation magnétostructurale. Pour cela, deux fils de cuivre ont été collés sur ce film avec de la laque argent permettant une bonne conductivité électrique. Les fils de cuivre ont été choisis suffisamment fins (0,1 mm de diamètre) pour permettre au film de se déplacer librement sous un champ magnétique même faible. Un courant électrique de 100 mA peut alors être injecté au film afin de le chauffer par effet Joule. Le film a ensuite été placé, à température ambiante, à proximité d'un aimant permanent de

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quelques centaines de milli-tesla. L'équation suivante d’un régime permanent refroidi par l’air est alors utilisée pour estimer l’élévation de température du film :

Équation 5.10 : 𝑅 𝐼² = 2 ℎ 𝐴 (𝑇_{𝑓𝑖 𝑚}− 𝑇_𝑎𝑖𝑟)

avec A et R respectivement la surface et la résistance du film, I le courant électrique, h la convection de l’air (ici h = 10 Wm-2

K^-1), et T_air et T_film respectivement la température de l’air et celle du film à l’état final. Nous pouvons donc prévoir que la température finale du film sera de l’ordre de 90°C au bout de 20 s. Le champ magnétique dû à l'aimant permanent varie de 30 à 100 mT entre la position initiale et finale du film. Le chauffage du film permet la transformation structurale de la phase martensitique faiblement magnétique vers la phase austénitique ferromagnétique, comme montré sur la Figure 5.80. Le film est par conséquent attiré vers l'aimant (voir Figure 5.88). Après avoir supprimé le courant injecté dans le film, celui-ci ne revient cependant pas à sa position initiale. Ceci est probablement dû au champ magnétique plus important qu'à l'état initial puisque le film est plus proche de l'aimant. Un second dispositif a également été testé. Un film de même composition est collé sur un seul fil de cuivre, toujours avec de la laque argent. L'échantillon est disposé dans les mêmes conditions que précédemment, l’apport de chaleur se faisant alors avec un métal chauffé (du cuivre). Le film, chauffé, se déplace alors vers l'aimant. Notons que le déplacement est ici moins important, car le film atteint des températures moins élevées. Ensuite, le film se refroidit, s'éloigne de l'aimant, puis se réchauffe à nouveau à proximité de la source de chaleur. Le mouvement oscillant perdure ainsi pendant un certain temps, jusqu’ à ce que la source ne soit plus assez chaude.

Ce démonstrateur, très simple, permet d’entrevoir de nombreuses applications dans le domaine du micro-actionnement en s’appuyant sur la transformation magnétostructurale des films Ni-Co-Mn-In.

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Figure 5.88 : Photos du dispositif d'actionnement thermomagnétique avec le film Ni45,2Co4,7Mn36,2In13,9. Le film est chauffé par effet Joule en a) et b). t = 0 s correspond à l'état de martensite, t = 20 s à l'état austénitique. Le film est chauffé par rayonnement d’un métal en c), d) et e). À t’= 1 la source de chaleur est approchée, t’= 2 l’échantillon se rapproche de l’aimant et à t’= 3 l’échantillon retourne à sa position initiale, environ 1 s sépare ces trois mouvements. Les lignes verticales bleues permettent de visualiser l'actionnement du film.

IV) Effet d’une pression isostatique sur les propriétés physiques d’un film de type Heusler Ni-Co-Mn-In

La pression décale les températures de transformation vers les hautes températures, contrairement à l’application d’un champ magnétique. Ceci est lié à la diminution de volume engendrée par l’application de la pression ^𝑑𝑃_𝑑 = −

𝑉 _{(L. Manosa, 2010)}. Pour ces études, des mesures ont été réalisées par le biais d’un Squid à l’aide d’une cellule de pression dans laquelle une pression isostatique a pu être appliquée. Des études ont déjà été menées sur l’effet de la pression sur des matériaux Heusler massifs de type Ni-Mn-X (X = In, Sn et In) (L. Porcar, 2014) (T. Kanomata, 1987) (V. K. Sharma, 2011) mais à notre connaissance aucune n’a porté sur le cas d’Heusler sous forme de films. L’application d’une pression uniaxiale s’accompagne d’un réarrangement des variantes martensitiques. Dans notre cas la pression est isostatique donc il se produit un changement de volume. Celui-ci peut induire divers effets sur les réarrangements de variantes qui ne seront pas étudiés dans cette thèse. Nous rappelons ici que le film est polycristallin.

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