Nuevas oportunidades para compósitos magnéticos refrigerantes

Nuevas oportunidades para el desarrollo de
refrigerantes magn´ticos: comp´sitos magn´ticos
e
o
e
´
Pablo Alvarez Alonso

IPICYT
20 de Marzo de 2013

´

Nuevas oportunidades para refrigerantes magn´ticos
e

IPICYT 20 de Marzo de 2013

1 / 30

Sumario

1

Introducci´n a los refrigerantes magneto-cal´ricos y la refrigeraci´n
o
o
o
magn´tica
e

2

¿Qu´ importancia tiene que la curva ∆SM sea constante? (tipo ’table’)
e

3

Comprendiendo los comp´sitos magneto-cal´ricos: estudio de
o
o
compositos bi-f´sicos basados en cintas amorfas FeZrBCu
a

4

Nuestros pr´ximos comp´sitos:
o
o
a temperatura ambiente: cintas R2 Fe17 (R=Y, Pr, Nd)
a baja temperatura: cintas RNi2 y RAl2 (R= Dy, Tb, Ho, Er)

5

Conclusiones

´

e


2 / 30

Outline

1

o
o
o
magn´tica
e

2

e

3

o
o
a

4

o
o

5

Conclusiones

´

e


3 / 30

El efecto magnetocal´rico y la capacidad de refrigeraciń
o
o

Dependencia con la
temperatura de la imanaciń
o
del GdAl2 : relaciń con el MCE
o

´

e


4 / 30

El efecto magnetocal´rico y la capacidad de refrigeraciń
o
o

Dependencia con la
temperatura de la imanaciń
o
del GdAl2 : relaciń con el MCE
o

Variaciń isot´rmica de entrop´
o
e
ıa
magn´tica
e
Relaciń de Maxwell
o
H2

∆S (T , H2 )P,∆H =
H1

´

e

∂M
∂T

dH
P,H


4 / 30

Variaciń de entrop´ magn´tica
o
ıa
e

Tipos de curvas ∆SM (T )
Tipo Skyscraper (rascacielos) →
MCE-primer orden. MCE elevado
pero confinado en un intervalo
pequeõ de temperatura.
n
Tipo Caret (ˆ) → MCE-segundo
orden. MCE moderado pero en
intervalos de temperatura mayores.
K.A. Gschneidner et al., J. Appl. Phys. 85
(1999) 5365

´

Tipo Table → MCE-comp´sitos.
o
Caracter´
ısticas de primer y segundo
orden.

e


5 / 30

El efecto magnetocal´rico y la capacidad de refrigeraci´n (RCP o RC)
o
o

Relative Cooling Power (RCP)

Estimaci´n del RCP
o
Pico
RCP1 (H) = |∆SM (H) | × δTFWHM
TH

|∆SM (T , H)| dT

RCP2 (H) =
TC

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

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

´

e


6 / 30

Antecedentes en el desarrollo de comp´sitos
o

Baja temperatura

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

´

e


7 / 30

o

Temperatura ambiente

Baja temperatura

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

´

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

e


7 / 30

o

¿De qu´ par´metros depende la ∆Scomp (T ) resultante?
e
a
Forma de ∆SM (T ) de los
constituyentes.
δTC .
Proporci´n de cada fase.
o
R. Caballero-Flores et al., Appl. Phys. Lett. 98
(2011) 102505

´

Campo magn´tico aplicado.
e

e


8 / 30

Outline

1

o
o
o
magn´tica
e

2

e

3

o
o
a

4

o
o

5

Conclusiones

´

e


9 / 30

Refrigeracci´n magn´tica: Ciclo de Ericsson
o
e

´

e


10 / 30

Refrigeracciń magn´tica: Ciclo de Ericsson
o
e

La m´xima eficiencia de un sistema de
a
refrigeraciń se consigue con materiales
o
magn´ticos con curvas de ∆SM (T )
e
constantes.
A.M. Tishin and Y.I. Spichkin. Magnetocaloric Effect
and Its Applications. Series in Condensed Matter
Physics, 1 ediciń (2003).
o

´

e


10 / 30

Curva ∆Scomp (T ) tipo ’table’ vs eﬁciencia de la refrigeraci´n
o

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

´

e


11 / 30

Curva ∆Scomp (T ) tipo ’table’ vs eﬁciencia de la refrigeraci´n
o

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

´

e


12 / 30

∆Scomp (T ) tipo ’table’ en comp´sitos bi-f´sicos no interactuantes
o
a

∆Scomp (T ) resultante en funciń de
o
la fracciń de cada fase
o
Caracter´
ısticas de ∆Scomp
∆Sθ : Punto de corte de las
curvas.
δ[∆Scomp (T )]: Variaciń de
o
∆Scomp (T ) cuando
α→α+δ

´

e


13 / 30

∆Scomp (T ) tipo ’table’ en comp´sitos bi-f´sicos no interactuantes
o
a

∆Scomp (T ) tipo ’table’

∆Scomp (T ) tipo ’table’: caracter´
ısticas
y
x
∆Scomp (T ) = ∆Sθ en (TC , TC )

max [∆Scomp ] = ∆Sθ

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

´

e


14 / 30

Outline

1

o
o
o
magn´tica
e

2

e

3

o
o
a

4

o
o

5

Conclusiones

´

e


15 / 30

Aleaciones amorfas FeZrBCu

∆SM (T ) de aleaciones FeZrBCu
Fusi´n → Melt-spinning → Cintas amorfas
o
Fe90 Zr10 (A) - Fe90 Zr9 B1 (B) - Fe91 Zr7 B2 (C) - Fe90 Zr8 B2 (D)
Fe88 Zr8 B4 (E) - Fe86 Zr7 B6 Cu1 (F) - Fe87 Zr6 B6 Cu1 (G)
∆SM (T ) de aleaciones FeZrBCu

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

´

e


16 / 30

¿Por qu´ cintas FeZrBCu?
e
Ventajas
Low Cost (Aleaciones basadas en Fe)
Fćiles de producir (Melt spinning)
a
Factor desimanador despreciable
Valores moderados de MS (≈ 110 − 135 emu g−1 )
Transiciń magn´tica de segundo orden
o
e
TC fćilmente ajustable en un rango amplio de temperaturas
a
Isotermas-Ejemplo

´

TC vs contenido de Fe

e


17 / 30

Aleaciones FeZrBCu: curvas ∆SM (T ) y RCP
Curvas ∆SM (T )

´

e


18 / 30

Aleaciones FeZrBCu: curvas ∆SM (T ) y RCP
Curvas ∆SM (T )

RCP-1

RCP-2

´

e


18 / 30

Comp´sitos FeZrBCu
o

D=Fe88 Zr8 B4 ; F=Fe86 Zr7 B6 Cu1
´

e


19 / 30

Ejemplos de comp´sitos basados en cintas FeZrCuB: Ejemplo 1
o
A (Fe90 Zr9 B1 ) y B (Fe87 Zr6 B6 Cu1 )

´

e


20 / 30

o
A (Fe90 Zr9 B1 ) y B (Fe87 Zr6 B6 Cu1 )

´

δTFWHM y RCP

e


20 / 30

o

0.5 A (Fe87 Zr6 B6 Cu1 ) + 0.5 B
(Fe90 Zr8 B2 )

´

e


21 / 30

o
δTFWHM

0.5 A (Fe87 Zr6 B6 Cu1 ) + 0.5 B
(Fe90 Zr8 B2 )

´

e


21 / 30

o
δTFWHM

0.5 A (Fe87 Zr6 B6 Cu1 ) + 0.5 B
(Fe90 Zr8 B2 )

RCP-2

RCP ≈ 95 % Gd met´lico
a
´

e


21 / 30

∆SM (T ) tipo ’table’ en comp´sitos de FeZrBCu
o

Tipo ’table’ hasta 80 K
´

e


22 / 30

Outline

1

o
o
o
magn´tica
e

2

e

3

o
o
a

4

o
o

5

Conclusiones

´

e


23 / 30

Cintas R2 Fe17

∆SM (T ) para Pr2 Fe17
∆SM (T ) para Nd2 Fe17

´

e


24 / 30

¿Por qu´ cintas R2 Fe17 ?
e

∆Scomp simulada
Ventajas
Low Cost (Aleaciones basadas en
Fe)
F´cil de producir (Melt spinning)
a
Pico
Valores moderados de ∆Scomp

Transiciones magn´ticas de segundo
e
orden alrededor de temperatura
ambiente

´

e


25 / 30

Cintas RNi2 y RAl2

∆SM (T ) para TbNi2

´

∆SM (T ) para DyNi2

e


26 / 30

¿Por qu´ cintas RNi2 y RAl2 ?
e

Ventajas
F´cil de producir (Melt spinning)
a
Transiciones magn´ticas de primer
e
orden a baja temperatura
Pico
Valores altos de ∆SM

´

e


27 / 30

Outline

1

o
o
o
magn´tica
e

2

e

3

o
o
a

4

o
o

5

Conclusiones

´

e


28 / 30

Conclusiones
Los comp´sitos magneto-cal´rico bi-f´sicos permiten desarrollar refrigerantes
o
o
a
magn´ticos con propiedades que no se pueden obtener mediante un unico material.
e
´
Los comp´sitos magneto-cal´ricos bi-f´sicos basados en cintas amorfas en el
o
o
a
sistema FeZrBCu:
pueden mostrar una curva ∆Scomp ancha y una elevada RCP;
permiten obtener una curva ∆Scomp tipo ’table’ de hasta 80 K, ideal para el
ciclo de Ericcson de refrigeraciń.
o
El enframiento ultrarr´pido es una tćnica sencilla, de fabricaciń continua y
a
e
o
masiva e implementada a escala industrial, de ah´ el inter´s en utilizarla para la
ı
e
obtenciń de refrigerantes magn´ticos.
o
e
Perspectivas inmediatas:
Desarrollo de comp´sitos magneto-cal´ricos para la refrigeraciń a
o
o
o
temperatura ambiente basado en aleaciones R2 Fe17 (R= Y, Pr, Nd).
Desarrollo de comp´sitos magneto-cal´ricos basados en compuestos RNi2 y
o
o
RAl2 para la refrigeraciń a bajas temperaturas (tesis de P. Ibarra).
o
´

e


29 / 30

Gracias por su atenci´n!
o

´

e


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