Titelaufnahme
Titelaufnahme
- TitelLaser-based synthesis and sintering of binary, ternary, and compositionally complex alloy nanoparticles for magnetocaloric cooling / submitted by: Shabbir Tahir from Karachi
- Weitere TitelLaserbasierte Synthese und Sinterung binärer, ternärer und zusammensetzungskomplexer Legierungsnanopartikel für die magnetokalorische Kühlung
- Verfasser
- Gutachter
- Erschienen
- Umfang1 Online-Ressource (xviii, 165 Seiten)
- HochschulschriftBergische Universität Wuppertal, Dissertation, 2025
- Verteidigung2025-11-18
- SpracheEnglisch
- DokumenttypDissertation
- URN
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Zusammenfassung
Kühltechnologien sind für das moderne Leben unverzichtbar, etwa für die Lebensmittelkonservierung und den medizinischen Transport. Der Großteil heutiger Kühlsysteme basiert jedoch weiterhin auf Dampfkompressionsverfahren, deren Einsatz von Kältemitteln mit ökologischen und energetischen Herausforderungen verbunden ist. Die magnetische Kühlung auf Grundlage des magnetokalorischen Effekts stellt hierzu eine vielversprechende Festkörperalternative dar, da sie das Potenzial für höhere Energieeffizienz, kompakte Bauweisen und eine geringere Umweltbelastung bietet. Vor diesem Hintergrund untersucht diese Arbeit die Entwicklung seltenerdfreier magnetokalorischer Materialien mittels gepulster Laserablation in Flüssigkeiten (PLAL) und Lasersintern zur Synthese und Strukturierung zusammensetzungskomplexer Legierungen (CCAs) auf der Nanoskala. Durch die Bearbeitung zentraler Fragestellungen der Zusammensetzungskontrolle, Phasenstabilität und Miniaturisierung leistet diese Arbeit einen Beitrag zur Entwicklung nachhaltiger Festkörper-Kühltechnologien.Ein Schwerpunkt dieser Arbeit liegt auf der Untersuchung von mittels PLAL hergestellten Nanopartikeln jenseits binärer Systeme, insbesondere ternären und zusammensetzungskomplexen Legierungen, sowie auf dem Einfluss der Zusammensetzung auf Phasenstabilität und magnetische Übergänge. Im Gegensatz zu Bulk-Materialien, die typischerweise ferromagnetisch-paramagnetische Übergänge zeigen, weisen die synthetisierten Nanopartikel ein superparamagnetisches Verhalten auf. Dies verdeutlicht den starken Einfluss der Partikelgröße auf die magnetischen Eigenschaften magnetokalorischer Systeme. Zudem wurde gezeigt, dass die Wahl der Target-Herstellungsstrategie einen entscheidenden Einfluss auf Produktivität, Zusammensetzung und Phasenstabilität der Nanopartikel hat. Als besonders vielseitig und kosteneffizient erwiesen sich gepresste und gesinterte Targets auf Basis elementarer oder legierter Pulver. Dies zeigte sich insbesondere bei Al-basierten zusammensetzungskomplexen Legierungen, bei denen selbstgemischte und gepresste Targets eine skalierbare Syntheseroute ermöglichen und gleichzeitig den Ersatz des knappen Elements Ge erlauben, ohne die funktionellen Eigenschaften wesentlich zu beeinträchtigen. Gleichzeitig erlaubt dieser Ansatz eine präzise Zusammensetzungssteuerung, wie am Beispiel von NiMnSn-Nanopartikeln gezeigt wurde, bei denen Mn-Verluste während der Ablation durch eine gezielte Anpassung der Ausgangszusammensetzung kompensiert werden konnten. Die synthetisierten NiMnSn-Heusler-Nanopartikel, Ge-basierten zusammensetzungskomplexen Legierungsnanopartikel und Al-basierten zusammensetzungskomplexen Legierungsnanopartikel zeigen magnetische Übergangstemperaturen im niedrigen bis nahe Raumtemperaturbereich (300 K, 179 K bzw. 263 K) und stellen damit vielversprechende seltenerdfreie Kandidaten für magnetokalorische Anwendungen dar.Ein weiterer Schwerpunkt dieser Arbeit ist die Formulierung nanopartikelbasierter Tinten sowie die laserbasierte Herstellung magnetokalorischer Mikrostrukturen mit Auflösungen im Mikrometerbereich. Die Ergebnisse zeigen, dass kontinuierliches Lasersintern die direkte Strukturierung und Phasenkontrolle von FeRh- und NiMnSn-basierten Mikrostrukturen ermöglicht. Neben einer verbesserten Auflösung und effizienteren Phasenumwandlung führt das Lasersintern auch zu einer Verbesserung der magnetischen Eigenschaften. Bei FeRh-Nanopartikeltinten erhöht das Lasersintern die antiferromagnetisch-ferromagnetische Magnetisierungsänderung im Vergleich zur konventionellen Wärmebehandlung um den Faktor vier. Bei NiMnSn-Mikropartikeln steigt die Magnetisierung nach dem Lasersintern ebenfalls an, wodurch sich ihre Eignung für funktionale magnetokalorische Bauelemente weiter verbessert. Diese Ergebnisse etablieren das laserbasierte 2D-Drucken als skalierbaren und präzisen Fertigungsansatz für die Integration magnetokalorischer Materialien in Anwendungen wie die Mikroelektronikkühlung und MEMS.Durch die Kombination von Nanopartikelsynthese und Laserstrukturierung etabliert diese Arbeit PLAL und Laserprozesse als komplementäre Werkzeuge für die Entwicklung magnetokalorischer Materialien der nächsten Generation und eröffnet neue Möglichkeiten für kompakte, nachhaltige und effiziente Wärmemanagementlösungen.
Abstract
Refrigeration is essential for modern society, ranging from food preservation to medical transport. However, most established cooling technologies still rely on vapor-compression systems that depend on refrigerants and are associated with environmental and energy-related challenges. Magnetic refrigeration, based on the magnetocaloric effect, offers a promising solid-state alternative with the potential for improved efficiency, compact device integration, and reduced environmental impact. In this context, this thesis investigates the development of rare-earth-free magnetocaloric materials using pulsed laser ablation in liquids (PLAL) and laser sintering for the synthesis and structuring of compositionally complex alloys (CCAs) at the nanoscale. By addressing challenges related to composition control, phase stability, and miniaturization, this work contributes to the development of sustainable solid-state cooling technologies.A central focus of this thesis is the investigation of PLAL-derived nanoparticles beyond binary systems, with particular emphasis on ternary and compositionally complex alloy systems and on the influence of composition on phase stability and magnetic transitions. In contrast to bulk materials, which typically exhibit ferromagnetic-to-paramagnetic transitions, the synthesized nanoparticles show superparamagnetic behavior, highlighting the strong size dependence of magnetic properties in magnetocaloric systems. The choice of target preparation strategy was found to strongly influence nanoparticle productivity, composition, and phase stability. In particular, pressed and sintered targets prepared from elemental or alloy powders proved to be a versatile and cost-effective approach. This is especially evident for Al-based compositionally complex alloys, where self-mixed and pressed targets provide a scalable synthesis route that enables the replacement of scarce Ge without significantly compromising functional performance. At the same time, this strategy allows precise compositional tuning, as demonstrated for NiMnSn nanoparticles, where Mn losses during ablation could be compensated by modifying the initial target composition, thereby improving the magnetic and magnetocaloric response. The synthesized NiMnSn Heusler nanoparticles, Ge-based compositionally complex alloy nanoparticles, and Al-based compositionally complex alloy nanoparticles exhibit magnetic transition temperatures in the low- to near-room-temperature range (300 K, 179 K, and 263 K, respectively), making them promising rare-earth-free candidates for magnetocaloric applications. A further focus of this thesis is the formulation of nanoparticle inks and the laser-based fabrication of magnetocaloric microstructures with micrometer-scale resolution. The results demonstrate that continuous-wave laser sintering enables the direct patterning and phase control of FeRh- and NiMnSn-based microstructures. In addition to improving resolution and phase transformation efficiency, laser sintering also enhances magnetic performance. For FeRh nanoparticle inks, laser sintering increases the antiferromagnetic-to-ferromagnetic magnetization change by a factor of four compared with conventional annealing, while for NiMnSn microparticles it increases the magnetization after processing, thereby improving suitability for functional magnetocaloric devices. These findings establish laser-based 2D printing as a scalable and precise fabrication approach for integrating magnetocaloric materials into applications such as microelectronic cooling and MEMS.By combining nanoparticle synthesis with laser structuring, this thesis establishes PLAL and laser processing as complementary tools for the development of next-generation magnetocaloric materials and opens new opportunities for compact, sustainable, and efficient thermal management technologies.
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