Influência do estado magnético nas propriedades termoestruturais de micropartículas comerciais de La(Fe,Mn,Si)13Hz aplicadas em protótipos de refrigeração magnética

Abstract

A refrigeração magnética é uma tecnologia que tem como objetivo substituir a refrigeração tradicional, tendo como principais vantagens possuir uma eficiência energética 30% superior e o fato de não utilizar gases de efeito estufa durante seu funcionamento. Isso é alcançado através do efeito magnetocalórico (EMC), que diz respeito à variação de temperatura de um material a partir da aplicação de um campo magnético externo. A intensidade do EMC é máxima na temperatura de Curie (TC) do material magnetocalórico (MMC). Portanto, os sistemas de refrigeração magnética são montados a partir de um regenerador magnético ativo (RMA), que normalmente é composto por várias camadas subsequentes de MMCs com diferentes TCs, formando um gradiente. Dessa forma, durante a operação, os MMCs irão atuar em diferentes estados magnéticos dependendo do tipo de escoamento (frio ou quente). Dentre os MMCs mais utilizados, destacam-se os compostos à base de La(Fe,Si)13, principalmente por possuírem um EMC intenso e a possibilidade de controlar o valor de TC com a adição de elementos intersticiais e substitucionais na estrutura. Contudo, embora existam muitos estudos sobre esses materiais na literatura, a maior parte deles utiliza compostos feitos em laboratório e em pequena escala, que não possuem as mesmas características dos materiais obtidos comercialmente que são comumente utilizados em protótipos. Assim sendo, este trabalho tem como intuito caracterizar e estudar compostos à base de La(Fe,Si)13 obtidos comercialmente, comparando com os materiais sintetizados em escala laboratorial encontrados na literatura. Além disso, também buscou-se analisar a influência do estado magnético do material em suas propriedades termomagnéticas. Dessa forma, amostras de La(Fe,Mn,Si)13Hz, com 13 diferentes estequiometrias e, por consequência, com TCs ligeiramente diferentes, foram obtidas comercialmente e caracterizadas em termos de suas propriedades termomagnéticas e estruturais. Assim, foi observado que os materiais comerciais apresentam heterogeneidades não encontradas em compostos feitos em laboratório, como a presença de, em média, 30% de uma fase secundária rica em ferro e porosidades residuais, que majoritariamente variavam entre 10 e 15%, características essas que podem afetar negativamente a performance do MMC em um RMA. Ademais, também se notou que o estado magnético em que o material se encontra afeta diretamente suas propriedades, causando mudanças bruscas de comportamento em várias propriedades, como na difusividade térmica, no calor específico, na densidade cristalográfica e no parâmetro de rede da célula unitária. Assim sendo, por intermédio da pesquisa aqui realizada, percebe-se que é necessário levar em consideração tanto as discrepâncias presentes entre os materiais comerciais e aqueles sintetizados em escala laboratorial quanto à variação de estado magnético a qual o MMC é sujeitado durante a operação, a fim de simular e construir protótipos de refrigeração magnética com performances otimizadas.

Magnetic refrigeration is a technology aiming to replace traditional refrigeration, with main advantages including a 30% higher energy efficiency and the absence of greenhouse gases in its operation. This is achieved through the magnetocaloric effect (EMC) which refers to a temperature change in a material when an external magnetic field is applied to it. The intensity of the EMC peaks at the Curie Temperature (TC) of the magnetocaloric material (MMC). Therefore, magnetic refrigeration systems are built using an active magnetic regenerator (RMA), typically composed of multiple layers of MMCs with different TCs, forming a gradient. This way, the MMCs works in various magnetic states depending on the type of flow (hot or cold) during operation. Among the most commonly used MMCs are the La(Fe,Si)13-based compounds, known for their intense EMC and the possibility of adjusting the TC by adding interstitial and substitutional elements to the structure. However, although many studies on these materials exist in the literature, most use laboratory-made compounds that lack the same characteristics as commercially available materials commonly used in prototypes. Therefore, this study aims to characterize and analyze commercially available La(Fe,Si)13-based compounds, comparing them with laboratory-synthesized materials found in the literature. Additionally, it seeks to examine the influence of the magnetic state of the material on its thermomagnetic properties. In this context, samples of La(Fe,Mn,Si)13Hz, with 13 different stoichiometries, and thus slightly different TCs, were commercially obtained and characterized in terms of their thermomagnetic and structural properties. It was observed that commercial materials exhibit heterogeneities not present in laboratory-made compounds, such as the presence of about 30% of an iron-rich secondary phase and residual porosity, mostly ranging between 10% and 15%, which can negatively impact the MMC's performance in an RMA. Furthermore, it was found that the magnetic state of the material directly affects its properties, causing sudden changes in behaviors such as thermal diffusivity, specific heat, crystallographic density and the unit cell lattice parameter. Therefore, based on this research, it is clear that both the discrepancies between commercial materials and laboratory-synthesized materials, as well as the magnetic state variations to which the MMC is subjected during operation, must be considered in order to simulate and build magnetic refrigeration prototypes with optimized performance.