Obtenção E Caracterização De Dois Compostos Do Sistema Mn-Fe-Sn Com Temperatura De Curie Controlada Pelo Conteúdo De Fe Para Aplicação Em Motores Termomagnéticos E Refrigeração Magnética
Data
2017-05-29
Autores
Felez, Marissol Rodrigues 
Orientadores
Gama, Sergio
Tipo
Tese de doutorado
Título da Revista
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Título de Volume
Resumo
Currently, the planet's main energy source comes from burning fossil fuels. Negative consequences of this burning are observed in the global environment and therefore the research for new clean and renewable energy sources as well as new materials is justified. In this sense, the objective of this work is to find, to produce and to characterize structural and magnetically a cheap material, rare earths free, with starting components easily found in the market and that does not require great efforts in its preparation, for application in thermomagnetic motors and magnetic refrigerators. The thermomagnetic motors convert thermal energy into mechanical work and the application of the motors aimed to the use of thermal industrial rejects means a contribution to the sustainability of the planet, besides which, magnetic refrigeration has been reported as an excellent ecological alternative to gas refrigeration. A study from literature has revealed satisfactory magnetic results for the Mn2.50Fe0.50Sn e Mn2.00Fe1.00Sn, suggesting that the Mn-Fe-Sn system materials may be suitable for application in thermomagnetic motors and magnetic refrigerators. Therefore, it were prepared and characterized by Scanning Electron Microscopy (SEM), compositional analysis by EDS, magnetic measurements and X-ray diffraction (XRD) with refinement of the crystalline structures and quantitative phase analysis, by the Rietveld method (MR) the materials: Mn100-xSn (x = 12, 18, 21, 24, 27, 32 e 35), Mn3-xFexSn (0.00 ≤ x ≤ 3.00) and Mn2-xFexSn (0.00 ≤ x ≤ 2.00) with Δx = 0.25. The magnetic results indicated Curie temperature (TC) or magnetic phase transition (TT) temperatures tunable by the Fe composition described by first-order linear functions for the Mn3-xFexSn and Mn2-xFexSn systems. These results show that the TC value can be controlled by the Fe content in the material. The temperature variation ΔTC,T found for the Mn3-xFexSn and Mn2-xFexSn systems was 604 K and 569 K, respectively. A large ΔTC,T, as observed, allows to work with thermomagnetic motors that operate with large temperature differences between the hot source and the cold source, in a cascade motor arrangement, at maximum energy efficiency. Typical ferromagnetic behaviour, at 4 K, under a magnetic field of - 5 T up to + 5 T was observed for the following compositions: Mn100-xSn (x = 73, 68 and 65), Mn3-xFexSn (1.00 ≤ x ≤ 3. 00) and Mn2-xFexSn (0.00 ≤ x ≤ 2.00). For the alloys of the Mn3-xFexSn system with x = 0.00, 0.25 and 0.50 the saturation magnetization was not observed for the high range magnetic field of - 13 T up to +13 T. The phases observed by SEM with compositional analysis by EDS were correlated to refinement results by MR. The crystalline structures, β Mn, Mn3Sn, Mn2Sn and Mn and Sn oxides for the Mn-Sn system were identified. In the ternary systems, some Mn, Fe and Sn oxides and the Mn3Sn and Mn2Sn crystalline phases were detected, however, with Fe replacing one of the Mn atoms of both crystal structures. For the ternary systems, the substitutional Fe caused a decrease of the lattice parameters a and c of the hexagonal crystal structure of Mn3Sn and Mn2Sn.
Atualmente, a principal fonte energética do planeta advém da queima de combustíveis fósseis. Consequências negativas dessa queima são observadas no meio ambiente global e a pesquisa de novas fontes energéticas limpas e renováveis, bem como novos materiais é justificada. Nesse sentido, o objetivo deste trabalho é encontrar, produzir e caracterizar estrutural e magneticamente um material barato, sem a presença de terras raras, com componentes de partida facilmente encontrados no mercado e que não requeira grandes esforços no preparo, para aplicação em motores termomagnéticos e refrigeradores magnéticos. Os motores termomagnéticos convertem energia térmica em trabalho mecânico e a aplicação dos motores direcionada ao aproveitamento de rejeitos térmicos industriais significa uma contribuição para a sustentabilidade do planeta, além do que a refrigeração magnética tem se mostrado uma alternativa ecológica à refrigeração a gás. Um estudo da literatura revelou resultados magnéticos satisfatórios para as ligas Mn2,50Fe0,50Sn e Mn2,00Fe1,00Sn, sugerindo os materiais do sistema Mn-Fe-Sn como candidatos à aplicação em motores e refrigeradores magnéticos. Portanto, foram preparados e caracterizados por microscopia eletrônica de varredura (MEV), análise composicional por EDS, medidas magnéticas e difração de raios X (DRX) com refinamento das estruturas cristalinas e análise quantitativa das fases (AQF) pelo método Rietveld (MR), os materiais: Mn100-xSnx (x = 12, 18, 21, 24, 27, 32 e 35), Mn3-xFexSn (0,00 ≤ x ≤ 3,00) e Mn2-xFexSn (0,00 ≤ x ≤ 2,00) com Δx = 0,25. Os resultados magnéticos apontaram temperaturas de Curie (TC) ou de transição de fase magnética (TT) sintonizáveis pela composição de Fe, descritas por funções lineares de primeiro grau, para os sistemas Mn3-xFexSn e Mn2-xFexSn. Esses resultados indicam que o valor da TC,T pode ser controlado pelo conteúdo de Fe no material. A variação da temperatura ΔTC,T encontrada para os sistemas Mn3-xFexSn e Mn2-xFexSn foi de 604 K e 569 K, respectivamente. Um grande ΔTC,T, como o observado, permite que se trabalhe com motores termomagnéticos que operem com grandes diferenças de temperatura entre a fonte quente e a fonte fria, em um arranjo de motores em cascata na máxima eficiência energética. Comportamento ferromagnético, à temperatura de 4 K, sob campo magnético de - 5 T a + 5 T foi observado para as seguintes composições: Mn100-xSnx (x = 73, 68 e 65), Mn3-xFexSn (1,00 ≤ x ≤ 3,00) e Mn2-xFexSn (0,00 ≤ x ≤ 2,00). Para as ligas do sistema Mn3-xFexSn com x = 0,00, 0,25 e 0,50 a magnetização de saturação não foi observada para o intervalo de campo magnético de - 13 T a + 13 T. As fases observadas por MEV com análise composicional por EDS foram correlacionadas aos resultados dos refinamentos pelo MR. As estruturas cristalinas, das fases β Mn, Mn3Sn, Mn2Sn e óxidos de Mn e Sn para o sistema Mn-Sn foram identificadas. Nos sistemas ternários, alguns óxidos de Mn, Fe e Sn e as fases cristalinas Mn3Sn e Mn2Sn foram detectadas com o Fe substituindo um dos átomos de Mn, em ambas as estruturas cristalinas. Para os sistemas ternários, o Fe substitucional ocasionou uma diminuição dos parâmetros de rede a e c das estruturas hexagonais dos compostos Mn3Sn e Mn2Sn.
Atualmente, a principal fonte energética do planeta advém da queima de combustíveis fósseis. Consequências negativas dessa queima são observadas no meio ambiente global e a pesquisa de novas fontes energéticas limpas e renováveis, bem como novos materiais é justificada. Nesse sentido, o objetivo deste trabalho é encontrar, produzir e caracterizar estrutural e magneticamente um material barato, sem a presença de terras raras, com componentes de partida facilmente encontrados no mercado e que não requeira grandes esforços no preparo, para aplicação em motores termomagnéticos e refrigeradores magnéticos. Os motores termomagnéticos convertem energia térmica em trabalho mecânico e a aplicação dos motores direcionada ao aproveitamento de rejeitos térmicos industriais significa uma contribuição para a sustentabilidade do planeta, além do que a refrigeração magnética tem se mostrado uma alternativa ecológica à refrigeração a gás. Um estudo da literatura revelou resultados magnéticos satisfatórios para as ligas Mn2,50Fe0,50Sn e Mn2,00Fe1,00Sn, sugerindo os materiais do sistema Mn-Fe-Sn como candidatos à aplicação em motores e refrigeradores magnéticos. Portanto, foram preparados e caracterizados por microscopia eletrônica de varredura (MEV), análise composicional por EDS, medidas magnéticas e difração de raios X (DRX) com refinamento das estruturas cristalinas e análise quantitativa das fases (AQF) pelo método Rietveld (MR), os materiais: Mn100-xSnx (x = 12, 18, 21, 24, 27, 32 e 35), Mn3-xFexSn (0,00 ≤ x ≤ 3,00) e Mn2-xFexSn (0,00 ≤ x ≤ 2,00) com Δx = 0,25. Os resultados magnéticos apontaram temperaturas de Curie (TC) ou de transição de fase magnética (TT) sintonizáveis pela composição de Fe, descritas por funções lineares de primeiro grau, para os sistemas Mn3-xFexSn e Mn2-xFexSn. Esses resultados indicam que o valor da TC,T pode ser controlado pelo conteúdo de Fe no material. A variação da temperatura ΔTC,T encontrada para os sistemas Mn3-xFexSn e Mn2-xFexSn foi de 604 K e 569 K, respectivamente. Um grande ΔTC,T, como o observado, permite que se trabalhe com motores termomagnéticos que operem com grandes diferenças de temperatura entre a fonte quente e a fonte fria, em um arranjo de motores em cascata na máxima eficiência energética. Comportamento ferromagnético, à temperatura de 4 K, sob campo magnético de - 5 T a + 5 T foi observado para as seguintes composições: Mn100-xSnx (x = 73, 68 e 65), Mn3-xFexSn (1,00 ≤ x ≤ 3,00) e Mn2-xFexSn (0,00 ≤ x ≤ 2,00). Para as ligas do sistema Mn3-xFexSn com x = 0,00, 0,25 e 0,50 a magnetização de saturação não foi observada para o intervalo de campo magnético de - 13 T a + 13 T. As fases observadas por MEV com análise composicional por EDS foram correlacionadas aos resultados dos refinamentos pelo MR. As estruturas cristalinas, das fases β Mn, Mn3Sn, Mn2Sn e óxidos de Mn e Sn para o sistema Mn-Sn foram identificadas. Nos sistemas ternários, alguns óxidos de Mn, Fe e Sn e as fases cristalinas Mn3Sn e Mn2Sn foram detectadas com o Fe substituindo um dos átomos de Mn, em ambas as estruturas cristalinas. Para os sistemas ternários, o Fe substitucional ocasionou uma diminuição dos parâmetros de rede a e c das estruturas hexagonais dos compostos Mn3Sn e Mn2Sn.