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

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Sumario

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Introducci´n a los refrigerantes magneto-cal´ricos y la refrigeraci´n
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Introducci´n a los refrigerantes magneto-cal´ricos y la refrigeraci´n
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¿Qu´ importancia t...
El efecto magnetocal´rico y la capacidad de refrigeraci´n
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Dependencia con la
temperatura de la imanaci´n
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del GdAl2 ...
El efecto magnetocal´rico y la capacidad de refrigeraci´n
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Dependencia con la
temperatura de la imanaci´n
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Variaci´n de entrop´ magn´tica
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Tipos de curvas ∆SM (T )
Tipo Skyscraper (rascacielos) →
MCE-primer orden. MCE elev...
El efecto magnetocal´rico y la capacidad de refrigeraci´n (RCP o RC)
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Relative Cooling Power (RCP)

Estimaci´n del RCP...
Antecedentes en el desarrollo de comp´sitos
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Baja temperatura

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

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Antecedentes en el desarrollo de comp´sitos
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Temperatura ambiente

Baja temperatura

T. Hashimoto et al., J. Appl. Phys....
Antecedentes en el desarrollo de comp´sitos
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¿De qu´ par´metros depende la ∆Scomp (T ) resultante?
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Introducci´n a los refrigerantes magneto-cal´ricos y la refrigeraci´n
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Refrigeracci´n magn´tica: Ciclo de Ericsson
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Pablo Alvarez Alonso

Nuevas oportunidades para refrigerantes magn´tico...
Refrigeracci´n magn´tica: Ciclo de Ericsson
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Curva ∆Scomp (T ) tipo ’table’ vs eficiencia de la refrigeraci´n
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Curva ∆Scomp (T ) tipo ’table’ vs eficiencia de la refrigeraci´n
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∆Scomp (T ) tipo ’table’ en comp´sitos bi-f´sicos no interactuantes
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Introducci´n a los refrigerantes magneto-cal´ricos y la refrigeraci´n
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Aleaciones amorfas FeZrBCu

∆SM (T ) de aleaciones FeZrBCu
Fusi´n → Melt-spinning → Cintas amorfas
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¿Por qu´ cintas FeZrBCu?
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Ventajas
Low Cost (Aleaciones basadas en Fe)
F´ciles de producir (Melt spinning)
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Factor desim...
Aleaciones FeZrBCu: curvas ∆SM (T ) y RCP
Curvas ∆SM (T )

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Pablo Alvarez Alonso

Nuevas oportunidades para refrigerantes...
Aleaciones FeZrBCu: curvas ∆SM (T ) y RCP
Curvas ∆SM (T )

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Comp´sitos FeZrBCu
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Ejemplos de comp´sitos basados en cintas FeZrCuB: Ejemplo 1
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Ejemplos de comp´sitos basados en cintas FeZrCuB: Ejemplo 1
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Ejemplos de comp´sitos basados en cintas FeZrCuB: Ejemplo 2
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Ejemplos de comp´sitos basados en cintas FeZrCuB: Ejemplo 2
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Ejemplos de comp´sitos basados en cintas FeZrCuB: Ejemplo 2
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∆SM (T ) tipo ’table’ en comp´sitos de FeZrBCu
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Tipo ’table’ hasta 80 K
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Introducci´n a los refrigerantes magneto-cal´ricos y la refrigeraci´n
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Cintas R2 Fe17

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

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Pablo Alvarez Alonso

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¿Por qu´ cintas R2 Fe17 ?
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∆Scomp simulada
Ventajas
Low Cost (Aleaciones basadas en
Fe)
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Cintas RNi2 y RAl2

∆SM (T ) para TbNi2

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Pablo Alvarez Alonso

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¿Por qu´ cintas RNi2 y RAl2 ?
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Ventajas
F´cil de producir (Melt spinning)
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Factor desimanador despreciable
Transiciones...
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Introducci´n a los refrigerantes magneto-cal´ricos y la refrigeraci´n
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¿Qu´ importancia t...
Conclusiones
Los comp´sitos magneto-cal´rico bi-f´sicos permiten desarrollar refrigerantes
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magn´ticos con propiedade...
Gracias por su atenci´n!
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Nuevas oportunidades para refrigerantes magn´ticos
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IPICYT 20 de Mar...
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Nuevas oportunidades para el desarrollo de refrigerantes magneticos: compositos magneticos

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Nuevas oportunidades para el desarrollo de refrigerantes magneticos: compositos magneticos

  1. 1. 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 ´ Pablo Alvarez Alonso Nuevas oportunidades para refrigerantes magn´ticos e IPICYT 20 de Marzo de 2013 1 / 30
  2. 2. 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 ´ Pablo Alvarez Alonso Nuevas oportunidades para refrigerantes magn´ticos e IPICYT 20 de Marzo de 2013 2 / 30
  3. 3. Outline 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 ´ Pablo Alvarez Alonso Nuevas oportunidades para refrigerantes magn´ticos e IPICYT 20 de Marzo de 2013 3 / 30
  4. 4. El efecto magnetocal´rico y la capacidad de refrigeraci´n o o Dependencia con la temperatura de la imanaci´n o del GdAl2 : relaci´n con el MCE o ´ Pablo Alvarez Alonso Nuevas oportunidades para refrigerantes magn´ticos e IPICYT 20 de Marzo de 2013 4 / 30
  5. 5. El efecto magnetocal´rico y la capacidad de refrigeraci´n o o Dependencia con la temperatura de la imanaci´n o del GdAl2 : relaci´n con el MCE o Variaci´n isot´rmica de entrop´ o e ıa magn´tica e Relaci´n de Maxwell o H2 ∆S (T , H2 )P,∆H = H1 ´ Pablo Alvarez Alonso Nuevas oportunidades para refrigerantes magn´ticos e ∂M ∂T dH P,H IPICYT 20 de Marzo de 2013 4 / 30
  6. 6. Variaci´n 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 peque˜o 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 ´ Pablo Alvarez Alonso Tipo Table → MCE-comp´sitos. o Caracter´ ısticas de primer y segundo orden. Nuevas oportunidades para refrigerantes magn´ticos e IPICYT 20 de Marzo de 2013 5 / 30
  7. 7. 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 ´ Pablo Alvarez Alonso Nuevas oportunidades para refrigerantes magn´ticos e IPICYT 20 de Marzo de 2013 6 / 30
  8. 8. Antecedentes en el desarrollo de comp´sitos o Baja temperatura T. Hashimoto et al., J. Appl. Phys. 62 (1987) 3873-3878 ´ Pablo Alvarez Alonso Nuevas oportunidades para refrigerantes magn´ticos e IPICYT 20 de Marzo de 2013 7 / 30
  9. 9. Antecedentes en el desarrollo de comp´sitos o Temperatura ambiente Baja temperatura T. Hashimoto et al., J. Appl. Phys. 62 (1987) 3873-3878 ´ Pablo Alvarez Alonso A. M. Gomes et al., J. Appl. Phys. 99 (2006) 116107 Nuevas oportunidades para refrigerantes magn´ticos e IPICYT 20 de Marzo de 2013 7 / 30
  10. 10. Antecedentes en el desarrollo de comp´sitos 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 ´ Pablo Alvarez Alonso Campo magn´tico aplicado. e Nuevas oportunidades para refrigerantes magn´ticos e IPICYT 20 de Marzo de 2013 8 / 30
  11. 11. Outline 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 ´ Pablo Alvarez Alonso Nuevas oportunidades para refrigerantes magn´ticos e IPICYT 20 de Marzo de 2013 9 / 30
  12. 12. Refrigeracci´n magn´tica: Ciclo de Ericsson o e ´ Pablo Alvarez Alonso Nuevas oportunidades para refrigerantes magn´ticos e IPICYT 20 de Marzo de 2013 10 / 30
  13. 13. Refrigeracci´n magn´tica: Ciclo de Ericsson o e La m´xima eficiencia de un sistema de a refrigeraci´n 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 edici´n (2003). o ´ Pablo Alvarez Alonso Nuevas oportunidades para refrigerantes magn´ticos e IPICYT 20 de Marzo de 2013 10 / 30
  14. 14. Curva ∆Scomp (T ) tipo ’table’ vs eficiencia de la refrigeraci´n o P. Alvarez-Alonso et al., J. Alloys Comp. Accepted (2013) ´ Pablo Alvarez Alonso Nuevas oportunidades para refrigerantes magn´ticos e IPICYT 20 de Marzo de 2013 11 / 30
  15. 15. Curva ∆Scomp (T ) tipo ’table’ vs eficiencia de la refrigeraci´n o P. Alvarez-Alonso et al., J. Alloys Comp. Accepted (2013) ´ Pablo Alvarez Alonso Nuevas oportunidades para refrigerantes magn´ticos e IPICYT 20 de Marzo de 2013 12 / 30
  16. 16. ∆Scomp (T ) tipo ’table’ en comp´sitos bi-f´sicos no interactuantes o a ∆Scomp (T ) resultante en funci´n de o la fracci´n de cada fase o Caracter´ ısticas de ∆Scomp ∆Sθ : Punto de corte de las curvas. δ[∆Scomp (T )]: Variaci´n de o ∆Scomp (T ) cuando α→α+δ ´ Pablo Alvarez Alonso Nuevas oportunidades para refrigerantes magn´ticos e IPICYT 20 de Marzo de 2013 13 / 30
  17. 17. ∆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) ´ Pablo Alvarez Alonso Nuevas oportunidades para refrigerantes magn´ticos e IPICYT 20 de Marzo de 2013 14 / 30
  18. 18. Outline 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 ´ Pablo Alvarez Alonso Nuevas oportunidades para refrigerantes magn´ticos e IPICYT 20 de Marzo de 2013 15 / 30
  19. 19. 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 ´ Pablo Alvarez Alonso Nuevas oportunidades para refrigerantes magn´ticos e IPICYT 20 de Marzo de 2013 16 / 30
  20. 20. ¿Por qu´ cintas FeZrBCu? e Ventajas Low Cost (Aleaciones basadas en Fe) F´ciles de producir (Melt spinning) a Factor desimanador despreciable Valores moderados de MS (≈ 110 − 135 emu g−1 ) Transici´n magn´tica de segundo orden o e TC f´cilmente ajustable en un rango amplio de temperaturas a Isotermas-Ejemplo ´ Pablo Alvarez Alonso TC vs contenido de Fe Nuevas oportunidades para refrigerantes magn´ticos e IPICYT 20 de Marzo de 2013 17 / 30
  21. 21. Aleaciones FeZrBCu: curvas ∆SM (T ) y RCP Curvas ∆SM (T ) ´ Pablo Alvarez Alonso Nuevas oportunidades para refrigerantes magn´ticos e IPICYT 20 de Marzo de 2013 18 / 30
  22. 22. Aleaciones FeZrBCu: curvas ∆SM (T ) y RCP Curvas ∆SM (T ) RCP-1 RCP-2 ´ Pablo Alvarez Alonso Nuevas oportunidades para refrigerantes magn´ticos e IPICYT 20 de Marzo de 2013 18 / 30
  23. 23. Comp´sitos FeZrBCu o D=Fe88 Zr8 B4 ; F=Fe86 Zr7 B6 Cu1 ´ Pablo Alvarez Alonso Nuevas oportunidades para refrigerantes magn´ticos e IPICYT 20 de Marzo de 2013 19 / 30
  24. 24. Ejemplos de comp´sitos basados en cintas FeZrCuB: Ejemplo 1 o A (Fe90 Zr9 B1 ) y B (Fe87 Zr6 B6 Cu1 ) ´ Pablo Alvarez Alonso Nuevas oportunidades para refrigerantes magn´ticos e IPICYT 20 de Marzo de 2013 20 / 30
  25. 25. Ejemplos de comp´sitos basados en cintas FeZrCuB: Ejemplo 1 o A (Fe90 Zr9 B1 ) y B (Fe87 Zr6 B6 Cu1 ) ´ Pablo Alvarez Alonso δTFWHM y RCP Nuevas oportunidades para refrigerantes magn´ticos e IPICYT 20 de Marzo de 2013 20 / 30
  26. 26. Ejemplos de comp´sitos basados en cintas FeZrCuB: Ejemplo 2 o 0.5 A (Fe87 Zr6 B6 Cu1 ) + 0.5 B (Fe90 Zr8 B2 ) ´ Pablo Alvarez Alonso Nuevas oportunidades para refrigerantes magn´ticos e IPICYT 20 de Marzo de 2013 21 / 30
  27. 27. Ejemplos de comp´sitos basados en cintas FeZrCuB: Ejemplo 2 o δTFWHM 0.5 A (Fe87 Zr6 B6 Cu1 ) + 0.5 B (Fe90 Zr8 B2 ) ´ Pablo Alvarez Alonso Nuevas oportunidades para refrigerantes magn´ticos e IPICYT 20 de Marzo de 2013 21 / 30
  28. 28. Ejemplos de comp´sitos basados en cintas FeZrCuB: Ejemplo 2 o δTFWHM 0.5 A (Fe87 Zr6 B6 Cu1 ) + 0.5 B (Fe90 Zr8 B2 ) RCP-2 RCP ≈ 95 % Gd met´lico a ´ Pablo Alvarez Alonso Nuevas oportunidades para refrigerantes magn´ticos e IPICYT 20 de Marzo de 2013 21 / 30
  29. 29. ∆SM (T ) tipo ’table’ en comp´sitos de FeZrBCu o Tipo ’table’ hasta 80 K ´ Pablo Alvarez Alonso Nuevas oportunidades para refrigerantes magn´ticos e IPICYT 20 de Marzo de 2013 22 / 30
  30. 30. Outline 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 ´ Pablo Alvarez Alonso Nuevas oportunidades para refrigerantes magn´ticos e IPICYT 20 de Marzo de 2013 23 / 30
  31. 31. Cintas R2 Fe17 ∆SM (T ) para Pr2 Fe17 ∆SM (T ) para Nd2 Fe17 ´ Pablo Alvarez Alonso Nuevas oportunidades para refrigerantes magn´ticos e IPICYT 20 de Marzo de 2013 24 / 30
  32. 32. ¿Por qu´ cintas R2 Fe17 ? e ∆Scomp simulada Ventajas Low Cost (Aleaciones basadas en Fe) F´cil de producir (Melt spinning) a Factor desimanador despreciable Pico Valores moderados de ∆Scomp Transiciones magn´ticas de segundo e orden alrededor de temperatura ambiente ´ Pablo Alvarez Alonso Nuevas oportunidades para refrigerantes magn´ticos e IPICYT 20 de Marzo de 2013 25 / 30
  33. 33. Cintas RNi2 y RAl2 ∆SM (T ) para TbNi2 ´ Pablo Alvarez Alonso ∆SM (T ) para DyNi2 Nuevas oportunidades para refrigerantes magn´ticos e IPICYT 20 de Marzo de 2013 26 / 30
  34. 34. ¿Por qu´ cintas RNi2 y RAl2 ? e Ventajas F´cil de producir (Melt spinning) a Factor desimanador despreciable Transiciones magn´ticas de primer e orden a baja temperatura Pico Valores altos de ∆SM ´ Pablo Alvarez Alonso Nuevas oportunidades para refrigerantes magn´ticos e IPICYT 20 de Marzo de 2013 27 / 30
  35. 35. Outline 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 ´ Pablo Alvarez Alonso Nuevas oportunidades para refrigerantes magn´ticos e IPICYT 20 de Marzo de 2013 28 / 30
  36. 36. 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 refrigeraci´n. o El enframiento ultrarr´pido es una t´cnica sencilla, de fabricaci´n continua y a e o masiva e implementada a escala industrial, de ah´ el inter´s en utilizarla para la ı e obtenci´n de refrigerantes magn´ticos. o e Perspectivas inmediatas: Desarrollo de comp´sitos magneto-cal´ricos para la refrigeraci´n 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 refrigeraci´n a bajas temperaturas (tesis de P. Ibarra). o ´ Pablo Alvarez Alonso Nuevas oportunidades para refrigerantes magn´ticos e IPICYT 20 de Marzo de 2013 29 / 30
  37. 37. Gracias por su atenci´n! o ´ Pablo Alvarez Alonso Nuevas oportunidades para refrigerantes magn´ticos e IPICYT 20 de Marzo de 2013 30 / 30
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