High-entropy alloys for Thermomagnetic Energy Harvesters: Synthesis and characterization

At least 70% of all energy produced by humanity is dissipated as heat, therefore the development of new technologies to catch thermal energy for converting into reusable energy is essential to promote the transition towards a circular and sustainable economy. Thermomagnetic generators (Thermo-Magnetic power Generators TMG) are environmentally friendly energy conversion systems capable to address this challenge. The aim of this work is the development of advanced materials that can be exploited as active elements for heat harvesting and small-scale electricity production. Among the available materials, research has been focused on High Entropy Alloys (HEA) thanks to their peculiar properties. The developed HEAs are rare earth-free thus containing non-critical, easily accessible and recyclable 3d transition metals, such as Fe, Ni and Mn. Starting from the HEA of equimolar composition FeCoNiCrAl, the stoichiometry of the elements Ni e Cr was modified in order to evaluate the effect of the compositional changing with the transition temperature. The HEAs were obtained both by mechanical alloying and by FAST sintering (Field Assisted Sintering Technologies). The obtained compositions were studied using structural, microstructural analyzes and magnetic characterization techniques. Thermal treatments were performed to modify the crystallographic and magnetic structure and the degree of atomic order. The result leads to the identification of important considerations on the relationship between microstructure and magnetic properties.

Circa il 70% di tutta l'energia prodotta dall’umanità viene dissipata come calore, pertanto lo sviluppo di nuove tecnologie per catturare l'energia termica dispersa convertendola in energia riutilizzabile è essenziale per promuovere la transizione verso un’economia circolare e sostenibile. I generatori termomagnetici (Thermo-Magnetic power Generators TMG) sono ecologici sistemi di conversione dell’energia in grado di affrontare questa sfida. Scopo del presente lavoro è lo sviluppo di materiali avanzati che possano essere sfruttati come elementi attivi per la raccolta di calore e la produzione di energia elettrica su piccola scala. Fra i materiali disponibili la ricerca si è focalizzata sulle Leghe ad Alta Entropia (HEA) grazie alle loro peculiari proprietà. Le HEA sviluppate sono prive di terre rare con metalli 3d di transizione non critici, facilmente accessibili, stabili e riciclabili, come Fe, Ni e Mn. Partendo dalla HEA di composizione equimolare FeCoNiCrAl è stata variata la stechiometria degli elementi Ni e Cr al fine di valutare l’effetto della variazione composizionale con la temperatura di transizione. Le HEA sono state ottenute sia per alligazione meccanica sia per sinterizzazione FAST (Field Assisted Sintering Technologies). Le composizioni ottenute sono state studiate mediante analisi strutturali, microstrutturali e tecniche di caratterizzazione magnetica. Sono stati eseguiti trattamenti termici per modificare la struttura cristallografica e magnetica ed il grado di ordine atomico. Il risultato porta all’identificazioni di importanti considerazioni sulla relazione fra microstruttura e proprietà magnetiche.