High entropy materials for clean energy technology
- Reference number
- SM18-0040
- Start and end dates
- 190101-201231
- Amount granted
- 1 500 000 SEK
- Administrative organization
- Sandvik Materials Technology
- Research area
- Materials Science and Technology
Summary
Magnetic energy conversion offers a low-energy demand and environmentally friendly alternative for classical refrigeration technology. It uses solid refrigerants made of materials presenting magnetocaloric effect (MCE). The currently available materials showing substantial MCE are based on expensive and environmentally hazardous rare earth metals. The recently discovered High Entropy Materials (HEMs) provide the most promising alternative magnetocaloric materials (MCM). Today the accumulated knowledge about the microstructure, magnetic properties and phase stability of HEMs is far from satisfactory. The first-principles atomic-level methodology created in my group over the last decade offers unique opportunities for efficient screening of a large number of HEMs and for precise optimization of their properties. Starting from this platform I will go further by presenting and implementing our theoretical developments for scientists and engineers at Sandvik Materials Technology. The research visit will focus on the burning questions of alternative MCM. The activities will include demonstration and large-scale computer simulations. Demonstration will be done via seminars and tutorials. The theoretical predictions will be contrasted with observations for real materials. The program is expected to result in an enhanced academic and practical knowledge of the factors controlling the behavior of HEM-based MCM. Besides the long-term collaboration joint PhD programs are envisaged.
Popular science description
Med beaktande av de nalkande miljö- och energiproblemen, blir behovet av utvecklingen av nya material som reducerar CO2 utsläppet väsentlig för alla industriländer. Magnetiska värmepumpar öppnar möjligheten för lågenergi-användning och utgör ett miljövänligt alternativ för den konventionella kylindustrin som är baserad på gaskompression. Den moderna kyltekniken använder ett fast material som köldmedium och miljövänliga inre värmetransportvätskor (till exempel vatten), i kontrast till de klassiska kylsystemen grundad på avdunstande köldvätskor som bidrar till ozonförtunning samt global uppvärmning. Ett fast material som köldmediumen kan produceras av ett magnetiskt material som uppvisar ett magneto-termodynamiskt fenomen känt som den magnetokalorieffekten (MKE). Största delen av de i nuläget tillgängliga magnetokaloriska material baseras på kostsamma jordartsmetaller eller magnetiska föreningar med icke önskvärda egenskaper. Å andra sidan är högentropimaterial (HEM) fria från jordarts- och andra sällsynta metaller, samtidigt som de uppvisar utmärkta mekaniska och kemiska egenskaper samt MKE. Vår målsättning är att erhålla tillräcklig kunskap om magnetiska HEM, med potentiella tillämpningar i högteknologiska utformningar med utgångspunkt i MKE, såsom magnetiska kylskåp som kan användas i vardags syfte. Högentropimaterial är fasta kristallina lösningar som innehåller minst fem ämnen i lika eller nästan lika atomära koncentrationer. Dessa legeringar står för ett av de vikitgaste ämnesområden sedan Cantors, Yehs och Ranganathans pionjärarbete i början av 2000-talet. Det finns åtskilliga användningsområden av högentropilegeringar såsom transport, bygge och flygteknik där hög hållfasthet, hög temperaturuttållighet, låg densitet och speciella magnetiska egenskaper krävs. Som exempel kan nämnas att NiCoFeCr legeringar innehållande Pd har visat rumstemperatur MKE med kontrollerbara magnetiska egenskaper. Tack vare deras enastående egenskaper är HEM material idag de mest lovande kandidaterna för effektiva magnetokaloriska material. Man förväntar sig att matetrial som innehåller HEM når ett genombrott i den magnetisk kylningsindustrin. En bonus med HEM är att de stimulerar vidare forskning av legeringar med komplex komposition som hittills inte har prövats. Detta kan ge upphov till ett astronomiskt antal kompositioner som kan ligga till grund till upptäckter av naturvetenskaplig och praktisk användbarhet.