efecto magnetocalórico en materiales con transicion de segundo orden

EFECTO MAGNETOCALÓRICO

EN MATERIALES CON TRANSICIÓN

DE SEGUNDO ORDEN

PABLO ALVAREZ ALONSO

DEPARTAMENTO DE FISICAUNIVERSIDAD DE OVIEDO

1- INTRODUCCION AL EFECTO MAGNETOCALORICO (EMC)

2- REFRIGERACION MAGNETICA (RM)

3- ESTUDIOS REALIZADOS SOBRE MATERIALES CON ALTA

CAPACIDAD REFRIGERANTE (RCP)

3.1- CINTAS AMORFAS EN EL SISTEMA FeZrBCu

3.2- INTERMETALICOS CRISTALINOS Y NANOCRISTALINOS

R2Fe17 (R=Pr, Nd, Er)

4- CONCLUSIONES

CONTENIDOS

P. Álvarez 9 de Marzo, 2011

INTRODUCCION - el EMC

Gd

H=0-50 kOe

Temperature (K)

220 240 260 280 300 320

S (

J/m

ol K

)

54

56

58

60

62

64

66

68

70

72

Temperature (K)

220 240 260 280 300 320

S

M (

J/m

ol K

)

0.0

0.4

0.8

1.2

1.6

2.0

From M(H)T

From CP(T)H=0

From CP(T)H=50 kOe

Tc

T

ad, C

INTRODUCCION - la Prehistoria

P. Álvarez 9 de Marzo, 2011

Ann. Phys. Chem., vol. 13, 141-164 (1881)

Ann. Physik, vol. 81, 1154-1160 (1926) J. Amer. Chem. Soc.,vol.49, 1864-1870 (1927)

INTRODUCCION – descubrimiento EMC gigante

P. Álvarez 9 de Marzo, 2011

P. Álvarez 9 de Marzo, 2011

2

1

)

H

H H

M dHT

M(T,H)H(T,S

Cambio isotérmico de la

entropía magnética

GdAl2

Temperature (K)

0 50 100 150 200 250 300

M (

arb

. u

nit

s)

M near saturationParamagneticresponse

MC

E (

arb

. u

nit

s)

Cambio adiabático de la temperatura

2

1

),(),(

H

H HP

ad dHT

HTM

C

THTT

INTRODUCCION – ecuaciones importantes

P. Álvarez 9 de Marzo, 2011

REFRIGERACION MAGNETICA- principio

P. Álvarez 9 de Marzo, 2011

REFRIGERACION MAGNETICA- RM vs RC

P. Álvarez 9 de Marzo, 2011

REFRIGERACION MAGNETICA- ventajas

Mayor eficiencia energética 20-30% más eficiente que la refrigeración tradicional

Reducción en el consumo de combustibles fósiles

Máquinas de construcción simple No vibraciones ni ruidos

Coste de mantenimiento bajo

Tecnología más respetuosa con el medio ambiente Menos emisión de CO2

No emisiones directas al medio ambiente (no CFC’s, no HFC’s)

Uso de fluidos limpios para el intercambio de calor (agua, anticongelantes)

Consumidor Aire acondicionado

Dehumidificadores

Neveras

Cavas refriadoras

Refrigeración motores

Comercial Máquinas de vending

Enfriamiento de bebidas

Cámaras frigoríficas

Vitrinas y expositores

Electrónica Refrigeración activa de circuitos

electrónicos

Medicina Neveras portátiles

Imágenes de resonancia magnética

Ciencia Licuefacción de H, He, Ni

Refrigeración criogénica

P. Álvarez 9 de Marzo, 2011

REFRIGERACION MAGNETICA- aplicaciones

P. Álvarez 9 de Marzo, 2011

INTRODUCCION – optimización del EMC

T

M

¿Cómo optimizar el EMC ?

(a) ΔH elevado

(b) Elevado

(c) Elevado RCP

(d) TC en el intervalode trabajo

(e) Baja CP

P. Álvarez 9 de Marzo, 2011

INTRODUCCION – optimización del EMC

Polycrystalline Gd

Magnetic field (T)

0 2 4 6 8 10 12

Mag

neto

calo

ri eff

ect,

T

(K

)

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

Pulsed field

Quasi-static field

Heat capacity

T=TC

T=90 K

Gd policristalino

T

M

¿Cómo optimizar el MCE ?

(a) ΔH elevado

(b) Elevado

(c) Elevado RCP

(d) TC en el intervalode trabajo

(e) Baja CP

P. Álvarez 9 de Marzo, 2011

INTRODUCCION – optimización del EMC

T

M

¿Cómo optimizar el MCE ?

(a) ΔH elevado

(b) Elevado

(c) Elevado RCP

(d) TC en el intervalode trabajo

(e) Baja CP

P. Álvarez 9 de Marzo, 2011

INTRODUCCION – optimización del EMC

T

M

RCP-1

RCP-3

RCP-2

¿Cómo optimizar el MCE ?

(a) ΔH elevado

(b) Elevado

(c) Elevado RCP

(d) TC en el intervalode trabajo

(e) Baja CP

P. Álvarez 9 de Marzo, 2011

INTRODUCCION – optimización del EMC

T

M

Polycrystalline GdB=7.5 Tesla

Temperature (K)

200 250 300 350

Ma

gn

eto

ca

lori

c e

ffe

ct,

T

(K)

0

4

8

12

16

Pulse field

Data from ref. 6

Data from ref. 5

Data from ref. 9

H = 50 kOe

Gd policristalino

¿Cómo optimizar el MCE ?

(a) ΔH elevado

(b) Elevado

(c) Elevado RCP

(d) TC en el intervalode trabajo

(e) Baja CP

TC = 300 K

CINTAS AMORFAS EN EL SISTEMA FeZrBCu

P. Álvarez 9 de Marzo, 2011

Fe91Zr7B2 (B2), Fe88Zr8B4 (B4), Fe87Zr6B6Cu1 (B6)

CINTAS AMORFAS EN EL SISTEMA FeZrBCu

P. Álvarez 9 de Marzo, 2011

Momento por atomo: 1.7 mB

P. Álvarez 9 de Marzo, 2011

CINTAS AMORFAS EN EL SISTEMA FeZrBCu

P. Álvarez 9 de Marzo, 2011

CINTAS AMORFAS EN EL SISTEMA FeZrBCu

INTERMETALICOS R2Fe17 (R=Pr, Nd, Er)

Hexagonal

Grupo espacial : P63/mmc

Estructura cristalina : Th2Ni17

Romboédricos

Grupo espacial: R-3M

Estructura cristalina: Th2Zn17

YCePrNdSmGdTb

YGdTbDyHoEr

TmYbLu

P. Álvarez 9 de Marzo, 2011

Nd2Fe17

BM-10h

P. Álvarez 9 de Marzo, 2011

Nd2Fe17 Bulk Nd2Fe17 BM-10h

Nd2Fe17 BM-20h Nd2Fe17 BM-40h

INTERMETALICOS R2Fe17 (R=Pr, Nd, Er)

Pr2Fe17

X-ray diffraction Neutron diffraction

La estructura Th2Zn17 se

mantiene tras la molienda

Descenso de la intensidad

de los picos de difracción

Ensanchamiento de las

reflexiones de Bragg

Momentos magnéticos

situados en el plano de la

celda

P. Álvarez 9 de Marzo, 2011

INTERMETALICOS R2Fe17 (R=Pr, Nd, Er)

P. Álvarez 9 de Marzo, 2011

INTERMETALICOS R2Fe17 (R=Pr, Nd, Er)

P. Álvarez 9 de Marzo, 2011

Nd2Fe17Er2Fe17

INTERMETALICOS R2Fe17 (R=Pr, Nd, Er)

P. Álvarez 9 de Marzo, 2011

INTERMETALICOS R2Fe17 (R=Pr, Nd, Er)

CONCLUSIONES

¿Con qué me quedo?

- El EMC es la variación de la entropía o de la temperatura

al variar el campo magnético.

- El EMC tiene potencial para refrigeración a temperatura

ambiente

- Tener un elevado SM y Tad, a la vez que un elevado

RCP.

- Los materiales con transición de segundo orden tienen un

RCP elevado junto con anchuras de SM(T,H) hasta de

200 K para H = 50 kOe

GRACIAS POR SU ATENCION

ANEXOS

P. Álvarez 9 de Marzo, 2011

INTRODUCCION

Fall 2001 Astronautics

Imán permanente: 1.4 T

G.V. Brown, J. Appl. Phys., vol. 47, 3673 (1976)

46oC

-1oC

1976 Brown (NASA)

Campo: 7 T

Material magnético: Gd.

AMORFOS: FeZrB

P. Álvarez 9 de Marzo, 2011

P. Álvarez 9 de Marzo, 2011

= 1.594 Å2θ = *50, 1600] Δθ = 0.050

T = 300 KD2B

D1B

Difracción de polvo

Neutrones

= 2.52 Å2θ = *200, 1000]

Δθ = 0.20

T = [5 K, 820 K]ΔT = 2 K/min

P. Álvarez 9 de Marzo, 2011

- Elevada penetración en la muestra

- Distinguen isotopos

- Neutrones tienen momento (Magnetismo)

- El factor de dispersión es ~ constante

Ventajas neutrones

vs. XR

P. Álvarez 9 de Marzo, 2011

Ventajas XR vs.

Neutrones

- Distingue mejor las capas superficiales

- Menor masa de las muestras

- Alta intensidad (ESRF: 1024 s-1.m-2 ; ILL: 1011 s-1.m-2)

- Mayor resolución energías

Fuentes de XR- Laboratorio

Fuentes de

neutrones- Reactor

- Sincrotrón

- Spallation

Pr2Fe17 y Nd2Fe17 BM preparadas mediante

molienda mecánica: high-energy planetary ball mill

(Retsch PM/400)

Relación masa de bolas - muestra = 8:1

Tiempo de molienda = 10, 20 y 40 h

5 min clockwise - 5 min anticlockwise – 5 min pausa

P. Álvarez 9 de Marzo, 2011

Masivos fabricados mediante horno de arco eléctrico:

MAM-1 (Edmund Bühler GmbH)

Fusión de los elementos varias veces

INTERMETALICOS CRISTALINOS Y

NANOCRISTALINOS R2Fe17 (R=Pr, Nd, Er)