Nuevas oportunidades para el desarrollo de refrigerantes magneticos: compositos magneticos

Nuevas oportunidades para el desarrollo derefrigerantes magneticos: compositos magneticos

Pablo Alvarez Alonso

IPICYT20 de Marzo de 2013

Pablo Alvarez Alonso Nuevas oportunidades para refrigerantes magneticos IPICYT 20 de Marzo de 2013 1 / 30

Sumario

1 Introduccion a los refrigerantes magneto-caloricos y la refrigeracionmagnetica

2 ¿Que importancia tiene que la curva ∆SM sea constante? (tipo ’table’)

3 Comprendiendo los compositos magneto-caloricos: estudio decompositos bi-fasicos basados en cintas amorfas FeZrBCu

4 Nuestros proximos compositos:a temperatura ambiente: cintas R2Fe17 (R=Y, Pr, Nd)a baja temperatura: cintas RNi2 y RAl2 (R= Dy, Tb, Ho, Er)

5 Conclusiones


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5 Conclusiones


El efecto magnetocalorico y la capacidad de refrigeracion

Dependencia con latemperatura de la imanaciondel GdAl2: relacion con el MCE

Variacion isotermica de entropıamagnetica

Relacion de Maxwell

∆S (T ,H2)P,∆H =

∫ H2

H1

(∂M

∂T

)P,H

dH


Variacion de entropıa magnetica

Tipos de curvas ∆SM(T )

K.A. Gschneidner et al., J. Appl. Phys. 85(1999) 5365

Tipo Skyscraper (rascacielos) →MCE-primer orden. MCE elevadopero confinado en un intervalopequeno de temperatura.

Tipo Caret (ˆ) → MCE-segundoorden. MCE moderado pero enintervalos de temperatura mayores.

Tipo Table → MCE-compositos.Caracterısticas de primer y segundoorden.


El efecto magnetocalorico y la capacidad de refrigeracion (RCP o RC)

Relative Cooling Power (RCP)

P. Gorria et al., J. Phys. D: Appl. Phys. 41(2008) 192003

Estimacion del RCP

RCP1(H) = |∆SPicoM (H) | × δTFWHM

RCP2(H) =

∫ TH

TC

|∆SM (T ,H)| dT

RCP3(H) = max {|∆SM (T1,H)| × (T2 − T1)}


Antecedentes en el desarrollo de compositos

Baja temperatura

T. Hashimoto et al., J. Appl. Phys. 62 (1987)3873-3878

Temperatura ambiente

A. M. Gomes et al., J. Appl. Phys. 99 (2006)116107


Antecedentes en el desarrollo de compositos

¿De que parametros depende la ∆Scomp(T ) resultante?

R. Caballero-Flores et al., Appl. Phys. Lett. 98(2011) 102505

Forma de ∆SM(T ) de losconstituyentes.

δTC .

Proporcion de cada fase.

Campo magnetico aplicado.


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5 Conclusiones


Refrigeraccion magnetica: Ciclo de Ericsson

La maxima eficiencia de un sistema derefrigeracion se consigue con materialesmagneticos con curvas de ∆SM(T )constantes.

A.M. Tishin and Y.I. Spichkin. Magnetocaloric Effectand Its Applications. Series in Condensed MatterPhysics, 1 edicion (2003).


Curva ∆Scomp(T ) tipo ’table’ vs eficiencia de la refrigeracion

P. Alvarez-Alonso et al., J. Alloys Comp. Accepted (2013)


∆Scomp(T ) tipo ’table’ en compositos bi-fasicos no interactuantes

∆Scomp(T ) resultante en funcion dela fraccion de cada fase

Caracterısticas de ∆Scomp

∆Sθ: Punto de corte de lascurvas.

δ[∆Scomp(T )]: Variacion de∆Scomp(T ) cuandoα→ α + δ


∆Scomp(T ) tipo ’table’ en compositos bi-fasicos no interactuantes

∆Scomp(T ) tipo ’table’

P. Alvarez-Alonso et al., J. Alloys Comp.Accepted (2013)

∆Scomp(T ) tipo ’table’: caracterısticas

∆Scomp(T ) = ∆Sθ en (T xC,T

yC)

max [∆Scomp] = ∆Sθ


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5 Conclusiones


Aleaciones amorfas FeZrBCu

∆SM(T ) de aleaciones FeZrBCu

Fusion → Melt-spinning → Cintas amorfas

Fe90Zr10 (A) - Fe90Zr9B1 (B) - Fe91Zr7B2 (C) - Fe90Zr8B2 (D)

Fe88Zr8B4 (E) - Fe86Zr7B6Cu1 (F) - Fe87Zr6B6Cu1 (G)

∆SM(T ) de aleaciones FeZrBCu

P. Alvarez et al., Intermetallics 18 (2010) 2464-2467


¿Por que cintas FeZrBCu?

Ventajas

Low Cost (Aleaciones basadas en Fe)

Faciles de producir (Melt spinning)

Factor desimanador despreciable

Valores moderados de MS (≈ 110− 135 emu g−1)

Transicion magnetica de segundo orden

TC facilmente ajustable en un rango amplio de temperaturas

Isotermas-Ejemplo TC vs contenido de Fe


Aleaciones FeZrBCu: curvas ∆SM(T ) y RCP

Curvas ∆SM(T )

RCP-1

RCP-2


Aleaciones FeZrBCu: curvas ∆SM(T ) y RCP

Curvas ∆SM(T ) RCP-1

RCP-2


Compositos FeZrBCu

D=Fe88Zr8B4; F=Fe86Zr7B6Cu1


Ejemplos de compositos basados en cintas FeZrCuB: Ejemplo 1

A (Fe90Zr9B1) y B (Fe87Zr6B6Cu1)

δTFWHM y RCP



A (Fe90Zr9B1) y B (Fe87Zr6B6Cu1) δTFWHM y RCP



0.5 A (Fe87Zr6B6Cu1) + 0.5 B(Fe90Zr8B2)

δTFWHM

RCP-2

RCP ≈ 95 % Gd metalico


∆SM(T ) tipo ’table’ en compositos de FeZrBCu

Tipo ’table’ hasta 80 K


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5 Conclusiones


Cintas R2Fe17

∆SM(T ) para Pr2Fe17

∆SM(T ) para Nd2Fe17


¿Por que cintas R2Fe17?

Ventajas

Low Cost (Aleaciones basadas enFe)

Facil de producir (Melt spinning)


Valores moderados de ∆SPicocomp

Transiciones magneticas de segundoorden alrededor de temperaturaambiente

∆Scomp simulada


Cintas RNi2 y RAl2

∆SM(T ) para TbNi2∆SM(T ) para DyNi2


¿Por que cintas RNi2 y RAl2?

Ventajas

Facil de producir (Melt spinning)


Transiciones magneticas de primerorden a baja temperatura

Valores altos de ∆SPicoM


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5 Conclusiones


Conclusiones

Los compositos magneto-calorico bi-fasicos permiten desarrollar refrigerantesmagneticos con propiedades que no se pueden obtener mediante un unico material.

Los compositos magneto-caloricos bi-fasicos basados en cintas amorfas en elsistema FeZrBCu:

pueden mostrar una curva ∆Scomp ancha y una elevada RCP;

permiten obtener una curva ∆Scomp tipo ’table’ de hasta 80 K, ideal para elciclo de Ericcson de refrigeracion.

El enframiento ultrarrapido es una tecnica sencilla, de fabricacion continua ymasiva e implementada a escala industrial, de ahı el interes en utilizarla para laobtencion de refrigerantes magneticos.

Perspectivas inmediatas:

Desarrollo de compositos magneto-caloricos para la refrigeracion atemperatura ambiente basado en aleaciones R2Fe17 (R= Y, Pr, Nd).

Desarrollo de compositos magneto-caloricos basados en compuestos RNi2 yRAl2 para la refrigeracion a bajas temperaturas (tesis de P. Ibarra).


Gracias por su atencion!


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