Voortgangsverslag 2012 FOM-programma nr. IPP28 `Third

FOM - 13.0423
Voortgangsverslag 2012
FOM-programma nr. IPP28
'Third generation magnetocaloric materials'
Stichting voor Fundamenteel Onderzoek der Materie
www.fom.nl
mei 2013
Inhoudsopgave
Woord vooraf van de programmaleider ..................................................................................................... 2
Hoogtepunt uit het FOM Jaarboek 2012...................................................................................................... 4
Fact sheet per 1 januari 2013 ......................................................................................................................... 5
Historisch kwantitatief overzicht van input en output ............................................................................. 7
Promoties ......................................................................................................................................................... 7
Personele bezetting in 2012 ........................................................................................................................... 8
Output 2012 ................................................................................................................................................... 10
Werkgroep FOM-D-48 ................................................................................................................................. 10
Bijlage bij de outputgegevens ..................................................................................................................... 11
-1-
Woord vooraf van de programmaleider
Koeling is verantwoordelijk voor ongeveer 15% van het totale wereldwijde energieverbruik. Magnetische koeling is een veelbelovende nieuwe techniek om een hoge efficiëntie te bereiken. Het
maakt gebruik van het zogeheten magnetocalorisch effect in vaste stoffen. In een magnetocalorisch
materiaal kan energie worden uitgewisseld tussen het kristalrooster en de magnetische spins. Het
uitschakelen van een externe magnetisch veld leidt tot wanorde van de magnetische momenten.
De overdracht van de daarvoor benodigde energie van het rooster naar de magnetische spins
resulteert in koeling. Als vaste stof koeltechnologie, is magnetische koeling milieuvriendelijk,
aangezien het geen ozonafbrekend chemicaliën of broeikasgassen gebruikt. Daarbij heeft deze
technologie ook een hogere efficiëntie dan de conventionele koeling met een mechanische
compressor.
De ontdekking van het reuze magnetocalorisch effect, waarbij de veranderingen in de isotherme
magnetische entropie veel groter zijn dan die in conventionele magnetische materialen, is de ontwikkeling van goedkope en efficiënte koelers mogelijk geworden. Het reuze magnetocalorische
effect is gevonden in een aantal verbindingen met een abrupte 1ste orde faseovergang. Door de
abrupte overgang is het magnetocalorische effect geconcentreerd in een smal temperatuurbereik.
Bovendien kan de werktemperatuur van deze materialen worden afgestemd door het variëren van
de chemische samenstelling.
Er bestaan twee soorten eerste orde faseovergangen; de magnetostructurele (MS) overgang waarbij
de magnetische ordening gepaard gaat met een verandering van roostersymmetrie. Een goed
voorbeeld hiervan is Gd5Ge2Si2 het materiaal transformeert van de orthorhombische ferromagnetische fase naar de monokline paramagnetische fase. Een soortgelijk effect treedt op bij de α-γ overgang in ijzer, maar ver boven kamertemperatuur. De BCC ferromagnetische fase transformeert de
FCC paramagnetische fase. In een magneto-elastische (ME) faseovergang daarentegen gaat de
magnetische ordening gepaard met een discontinue verandering van rooster-parameters onder
behoud van de symmetrie. Een goed voorbeeld van deze is MnFe(P,As) bij de faseovergang van de
hexagonale ferromagnetische fase naar de hexagonale paramagnetische fase treedt een drastische
verandering op van de c/a verhouding.
De ME overgangen zijn bijzonder interessant voor toepassingen omdat deze overgangen door
klein veranderingen in de chemische samenstelling van het materiaal kunnen worden manipuleert. Recentelijk is het ons gelukt de fysica van de ME faseovergang beter te begrijpen. Tot voor
kort werd verondersteld dat dit type faseovergang wordt veroorzaakt door een competitie tussen
ferromagnetisch en anti-ferromagnetisch exchange wisselwerkingen. Dit is in goede overeenkomst
met de theorie van Landau voor faseovergangen, echter, dit fenomenologisch model is niet
geschikt om te voorspellen welke materialen wel of juist niet een groot magnetocalorisch effect
vertonen; hiervoor is een microscopisch model vereist. Om een beter inzicht in het magnetisme en
de faseovergang te verkrijgen werden de elektronische structuur van de ferromagnetische en de
paramagnetische fase berekend voor MnFeP0.5Si0.5.
MnFeP0.5Si0.5 kristalliseert net als MnFe(P,As) in de hexagonale Fe2P type, de structuur is opgebouwd uit afwisselende lagen van Fe, P, Si, en Mn, P, Si. De ijzer atomen hebben 4 P/Si naaste
buren terwijl mangaan 5 P/Si naaste buren heeft, echter, de naaste buur-afstanden voor ijzer zijn
kleiner dan die voor mangaan. Dit resulteert in een kleinere exchange splitsing voor de ijzer 3d
elektronen lager vergeleken met de mangaan 3d elektronen. De magnetische momenten zijn dan
1.5 μB en 2.8 μB voor respectievelijk ijzer en mangaan. Deze berekende magnetische momenten zijn
in goede overeenkomst met de gemeten magnetisatie bij lage temperatuur.
-2-
In de paramagnetische toestand vinden wij een drastische verandering van de berekende ladingsdichtheid, in het bijzonder in het vlak van de ijzer atomen. Deze verandering in ladingdichtheid
heeft tot gevolg, dat de ijzer atomen hun magnetisch moment volledig verliezen. De polarisatie
van de mangaan 3d elektronen wordt veel minder beïnvloed, en mangaan behoudt hierdoor een
magnetisch moment van 2.6 μB in de paramagnetische toestand.
De combinatie van de robuuste momenten op Mn en zwakke momenten op Fe is de oorzaak van de
vooralsnog unieke magneto-calorische eigenschappen van MnFe(P,Si). Het mangaan rooster zorgt
voor een voldoend hoge Curie-temperatuur. Om de rol van het ijzer-rooster te begrijpen is het van
belang te beseffen dat bezitten van een magnetisch moment ten koste gaat van de chemische binding.
Het grote magnetoelastische effect in MnFe(P,Si) is een direct gevolg van het verdwijnen van de
magnetisch momenten in het Fe3(P,Si) vlak, met als gevolg het ter beschikking komen van vrijheidsgraden voor chemische binding. De experimentele verificatie van het verlies van de magnetische momenten op de Fe posities met microscopische technieken is een van de doelen van het huidig project. Ook gaan wij de nieuwe inzichten in de fysica van deze materialen gebruiken om nog
betere materialen te ontwerpen en te maken.
-3-
Hoogtepunt uit het FOM Jaarboek 2012
-4-
Fact sheet per 1 januari 2013
FOM – 11.0774/2
datum: 01-01-2013
APPROVED INDUSTRIAL PARTNERSHIP PROGRAMME
Number
I28.
Title (code)
Third generation magnetocaloric materials (3GM)
Executive organisational unit
BUW
Programme management
Prof.dr. E.H. Brück
Duration
2011 - 2015
Cost estimate
M€ 2.4
Partner(s)
BASF
Concise programme description
a. Objectives
The programme includes a unique combination of theoretical and experimental studies of
magnetocaloric materials, with emphasis on the relation between electronic structure and magnetic
properties, a study of the kinetics of magnetocaloric effects, modelling of the properties and the
search for new materials with yet better performance. Additionally the optimal route of large-scale
production and routes to improve mechanical properties and heat transfer characteristics will be
investigated. Finally the design and composition of composite magnetic regenerators will be
modelled and tested.
b. Background, relevance and implementation
Giant magnetocaloric materials, which consist of rather cheap and abundant ingredients (Mn-Fe-PSi) have been developed recently. To accelerate the lab to market process, BASF and the academic
research groups teamed up and joined forces. In this way we improved the performance and
enabled the availability on an industrial scale. This second generation material is now becoming
available; construction of a designated plant is initiated by BASF De Meern. In the near future we
expect to see market introduction of the first magnetocaloric devices.
The earlier research programme has brought new insight into the physics behind the giant
magnetocaloric effect. Mixed magnetism, observed for the first time in these materials, appears to
be a key ingredient. This scientific breakthrough will be exploited to further improve the
magnetocaloric effect in first order materials. The next generation materials shall be operated in
magnetic fields below 1 Tesla, which can be generated with magnets not requiring Rare Earths.
-5-
Funding
salarispeil cao per 01-07-2012
bedragen in k€
< 2012
2013
2014
2015
2016
2017
450
301
274
165
-
-
-
1.190
FOM-basis investeringen
-
-
-
-
-
-
-
-
Doelsubsidies NWO
-
-
-
-
-
-
-
-
Doelsubsidies derden
-
-
-
-
-
-
-
-
- BASF*)
482
306
275
127
-
-
-
1.190
Totaal
932
607
549
292
-
-
-
2.380
FOM-basisexploitatie
*)
> 2018 Totaal
Deze bijdrage is exclusief het gebruik van laboratoriumfaciliteiten bij BASF tijdens de uitvoering van het programma.
Source documents and progress control
a)
b)
c)
d)
Original programme proposal:
Ex ante evaluation:
Decision Executive Board:
Contracts:
FOM-11.0312/D
FOM-11.0479, FOM-11.0830
FOM-11.0831
FOM-11.0828, FOM-11.0829
Remarks
The final evaluation of this programme will consist of a self-evaluation initiated by the programme
leader and is foreseen in 2016.
BA
Subgebied: 100% COMOP
-6-
par. HOZB
Historisch kwantitatief overzicht van input en output
personeelsaantallen (in gerealiseerde fte)
WP/V
WP/T
oio
NWP
0,1
-
Input
2011
2012
Output
-
1,7
proefschriften
2012
-
2,1
totaal op activiteitenniveau *
(in k€ )
36
0,9
overige wetenschappelijke publicaties
2
* Bedragen na afsluiten boekjaar.
Promoties
2012
Geen.
-7-
overige producten van
wetenschappelijke activiteit
-
334
vakpublicaties
-
Personele bezetting in 2012
-8-
-9-
Output 2012
Werkgroep FOM-D-48
Werkgroepleider
Prof.dr. E.H. Brück
Affiliatie
FOM-programma
Technische Universiteit Delft
Third generation magnetocaloric materials
Titel van het project + nummer
New materials magnetic and caloric properties 113GM03
FOM medewerker(s) op het project
Naam
Soort Personeel
L. Caron
postdoc
Datum in dienst
01 mei 2012
Datum uit dienst
30 apr 2014
A.J.E. Lefering
01 feb 2012
31 jan 2015
TP/T
1. Academische publicaties
a. Publicaties in gerefereede tijdschriften
1. Vieira Leitao, J.C., You, X., Caron, L. & Bruck, E.H., Magnetostructural study of the
(Mn,Fe)3(P,Si) system, Journal of Alloys and Compounds, 520, 52-58, 2012
Open Access: http://dx.doi.org/10.1016/j.jallcom.2011.12.056
2. Ou, Z., Caron, L., Nguyen, H.D., Zhang, L. & Bruck, E.H., Interstitial boron in MnFe(P,As)
giant-magnetocaloric alloy, Results in Physics, 2, 110-113, 2012
Open Access: http://dx.doi.org/10.1016/j.rinp.2012.09.005
Werkgroepleider
Prof.dr. E.H. Brück
Affiliatie
Technische Universiteit Delft
FOM-programma
Third generation magnetocaloric materials
Titel van het project +
nummer
Funadamental structural magnetic and caloric properties
113GM01
FOM medewerker(s) op het project
Naam
Soort Personeel
F. Guillou
postdoc
Datum in dienst
01 dec 2011
Datum uit dienst
30 nov 2014
Yibole
oio
01 feb 2012
31 jan 2016
X. Miao
oio
01 jun 2012
31 mei 2016
Geen output in 2012.
- 10 -
Bijlage bij de outputgegevens
Dit voortgangsverslag met de outputgegevens is tot stand gekomen aan de hand van de input van
de onderzoekers van zowel de FOM-instituten als de universitaire werkgroepen. Dit verslag bevat
een dwarsdoorsnede van de geleverde input. De programmaleider heeft de output akkoord
bevonden en een woord vooraf geschreven over de voortgang van het programma. Bij alle gegevens staat een datum of een periode. Omdat er enige tijd zit tussen de totstandkoming en publicatie van dit overzicht, geeft dit dus geen actueel beeld. Doel is dan ook de voortgang en bereikte
resultaten te laten zien uit het peiljaar. Voor de volledigheid staat hieronder de originele vragenlijst voor de onderzoekers vermeld, plus het relevante deel van de e-mail met instructies. AMOLF
en DIFFER hebben een vragenlijst op maat gekregen die op details afwijkt van deze versie.
Geachte professor,
Hierbij ontvangt u een formulier voor het opgeven van de output van het jaar 2012. In het formulier staan de titel van het project, het projectnummer en de FOM-medewerker(s) al vermeld. U
kunt eventueel betrokken U(H)D's ook opgeven in het formulier. We verzoeken u deze informatie
terug te zenden vóór 1 februari 2013. Lees deze e-mail in zijn geheel aandachtig door voor de tips
bij het invullen en sla regelmatig uw bestand op!
Achtergrond outputverzameling
Ieder jaar verzamelt FOM de output van alle projecten die bij FOM lopen. De informatie die we
daaruit verkrijgen gebruiken we om te voldoen aan de verplichting aan NWO om te rapporteren
over het totaal aantal publicaties, proefschriften, octrooien, etc. Daarnaast gebruiken we de informatie om tabellen in het Jaarboek van FOM te kunnen weergeven. Ook wordt aan de werkgemeenschapscommissies een jaarlijks outputverslag gestuurd waarin in detail over alle lopende
projecten binnen de FOM-programma's wordt gerapporteerd. Op de website komen rond de
zomer de voortgangsverslagen die jaarlijks in de werkgemeenschapscommissies besproken worden, beschikbaar als download bij de fact sheets van de FOM-programma's.
Welke output opgeven?
Wij verzoeken u alleen output op te geven die toegeschreven kan worden aan het betreffende project en alleen uit het peiljaar. Dus het verzoek is om alleen de output van de FOM-medewerkers
die op het formulier staan op te geven.
Alvast mijn hartelijke dank voor uw medewerking,
Met vriendelijke groet,
Gabby Zegers
- 11 -
- 12 -