Synthèse, caractérisation et mise en forme de matériaux magnétocaloriques, La(Fe,Si,Co)13Hy pour l'utilisation dans une pompe à chaleur magnétique

Synthesis, characterization and shaping of magnetocaloric materials La(Fe,Si,Co)13H to be used in a magnetic heat pump

• Auteur / Autrice : Amaury Patissier
• Direction : Valérie Paul-Boncour
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences des Matériaux
• Date : Soutenance le 11/12/2014
• Etablissement(s) : Paris Est
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences, Ingénierie et Environnement (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2010-2015)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Chimie et des Matériaux Paris-Est (Thiais, Val-de-Marne)
• Jury : Président / Présidente : Souad Ammar
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Valérie Paul-Boncour, Thomas Mazet, Lotfi Bessais
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Olivier Isnard, Vincent Hardy

Mots clés

Mots clés contrôlés

Frittage (métallurgie)

Hydrures

Pompes à chaleur

Effet magnétocalorique

Mots clés libres

Magnétocalorique

Pompe à chaleur

Matériaux

Hydrures

Metallurgie

Magnetocaloric

Heat pump

Materials

Hydride

Résumé

Les systèmes de pompes à chaleur pour la climatisation, la réfrigération ou le chauffage domestique sont de plus en plus utilisés car ils possèdent un rendement énergétique plus grand que les moyens de réfrigération et de chauffage conventionnels. Malheureusement ces systèmes contiennent des fluides frigorifiques néfastes pour l'environnement (gaz à effet de serre, nocifs pour la couche d'ozone) dont les plus utilisés vont bientôt être interdits d'utilisation (protocole de Copenhague). C'est pourquoi de nombreuses recherches ont été menées ces dernières années sur l'alternative que constituent les pompes à chaleur magnétiques. Ces recherches se sont principalement focalisées sur la réfrigération proche de la température ambiante, or des systèmes de pompes à chaleur magnétiques peuvent être aussi efficaces pour le chauffage domestique. La famille de composés magnétocaloriques La(Fe,Si)13 (Cout limité, non toxique, adaptable) fait partie des familles les plus favorables à intégrer une pompe à chaleur magnétique. Or jusqu'à maintenant la température de travail de ces composés, par insertion d'hydrogène, était limitée à 350K. L'objectif de cette thèse est d'évaluer la possibilité de d'utiliser les matériaux magnétocaloriques de type La(Fe,Si)13 dans une pompe à chaleur magnétique fonctionnant au-dessus de la température ambiante voir au-delà de 350K. Dans ce but, nous avons choisi de combiner deux approches déjà utilisées pour augmenter la température de Curie : l'insertion d'hydrogène et la substitution du fer par le cobalt. Les propriétés structurales, thermiques et magnétiques des composés La(Fe1-xCoxSi1.5)Hy (0 ≤x≤ 1 et 0≤ y ≤ 1.6) ont donc été étudiés afin de quantifier les effets de la substitution et de l'insertion sur la température de Curie (TC) et sur l'effet magnétocalorique. . Les alliages ont été synthétisés par méthode originale, broyage mécanique suivi d'un recuit de courte durée, qui pourrait être valorisée en vue d'une production à grande échelle de ces composés. De plus, afin d'obtenir des géométries compatibles avec l'application la mise en forme des matériaux par la méthode de frittage flash a été étudiée. Cette étude prépare donc le développement d'une pompe à chaleur magnétique pour le chauffage domestique en soulignant l'intérêt et les contraintes d'utiliser les composés La(Fe,Si,Co)13Hy comme matériaux magnétocaloriques actifs

Heat pumps devices for air conditioning, refrigeration, domestic heating are increasingly used because they have greater energy efficiency than conventional means of heating and cooling. Unfortunately, these systems contain refrigerants harmful to the environment (greenhouse gases), and the most used are soon to be banned from use (Copenhagen Protocol). Therefore many researches have been conducted in recent years on the environment friendly magnetic heat pumps. Research focused mainly on refrigeration near room temperature, but magnetic heat pump devices can also be effective for heating. One of the most promising family of compounds favorable to incorporate magnetic heat pump is the La(Fe,Si)13 family. However until now, the maximum operating temperature of these compounds obtained by hydrogen insertion was limited to 350K. The objective of this thesis is to evaluate the possibility of using the magnetocaloric materials La(Fe,Si)13 in a magnetic heat pump operating above room temperature and beyond 350K by combining cobalt for iron substitution and hydrogen insertion. Therefore structural, thermal, magnetic and magnetocaloric properties of La(Fe1-xCoxSi1.5)Hy (0 ≤x≤ 1 et 0≤ y ≤ 1.6) have been measured. The ball milling synthesis process followed by short annealing treatment could be used in the context of a large-scale production. Then to obtain a shape compatible with the application, shaping of the materials by the spark plasma sintering method have been investigated. This study prepares development of a magnetic heat pump for heating underlying values and limitations of using La(Fe,Si,Co)13Hy compounds as the active magnetocaloric material