Nuevas oportunidades para el desarrollo de refrigerantes magneticos: compositos magneticos
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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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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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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
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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
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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.
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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)}
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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
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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
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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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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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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).
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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).
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Curva ∆Scomp(T ) tipo ’table’ vs eficiencia de la refrigeracion
P. Alvarez-Alonso et al., J. Alloys Comp. Accepted (2013)
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Curva ∆Scomp(T ) tipo ’table’ vs eficiencia de la refrigeracion
P. Alvarez-Alonso et al., J. Alloys Comp. Accepted (2013)
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∆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
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∆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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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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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
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¿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
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Aleaciones FeZrBCu: curvas ∆SM(T ) y RCP
Curvas ∆SM(T )
RCP-1
RCP-2
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Aleaciones FeZrBCu: curvas ∆SM(T ) y RCP
Curvas ∆SM(T ) RCP-1
RCP-2
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Compositos FeZrBCu
D=Fe88Zr8B4; F=Fe86Zr7B6Cu1
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Ejemplos de compositos basados en cintas FeZrCuB: Ejemplo 1
A (Fe90Zr9B1) y B (Fe87Zr6B6Cu1)
δTFWHM y RCP
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Ejemplos de compositos basados en cintas FeZrCuB: Ejemplo 1
A (Fe90Zr9B1) y B (Fe87Zr6B6Cu1) δTFWHM y RCP
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Ejemplos de compositos basados en cintas FeZrCuB: Ejemplo 2
0.5 A (Fe87Zr6B6Cu1) + 0.5 B(Fe90Zr8B2)
δTFWHM
RCP-2
RCP ≈ 95 % Gd metalico
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Ejemplos de compositos basados en cintas FeZrCuB: Ejemplo 2
0.5 A (Fe87Zr6B6Cu1) + 0.5 B(Fe90Zr8B2)
δTFWHM
RCP-2
RCP ≈ 95 % Gd metalico
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Ejemplos de compositos basados en cintas FeZrCuB: Ejemplo 2
0.5 A (Fe87Zr6B6Cu1) + 0.5 B(Fe90Zr8B2)
δTFWHM
RCP-2
RCP ≈ 95 % Gd metalico
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∆SM(T ) tipo ’table’ en compositos de FeZrBCu
Tipo ’table’ hasta 80 K
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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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Cintas R2Fe17
∆SM(T ) para Pr2Fe17
∆SM(T ) para Nd2Fe17
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¿Por que cintas R2Fe17?
Ventajas
Low Cost (Aleaciones basadas enFe)
Facil de producir (Melt spinning)
Factor desimanador despreciable
Valores moderados de ∆SPicocomp
Transiciones magneticas de segundoorden alrededor de temperaturaambiente
∆Scomp simulada
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Cintas RNi2 y RAl2
∆SM(T ) para TbNi2∆SM(T ) para DyNi2
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¿Por que cintas RNi2 y RAl2?
Ventajas
Facil de producir (Melt spinning)
Factor desimanador despreciable
Transiciones magneticas de primerorden a baja temperatura
Valores altos de ∆SPicoM
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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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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).
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