Die Erfindung betrifft Verfahren zur Herstellung von metallbasierten Materialien für die magnetische Kühlung oder Wärmepumpen, derartige Materialien und deren Verwendung. Die erfindungsgemäß hergestellten Materialien werden in der magnetischen Kühlung, in Wärmepumpen oder Klimaanlagen eingesetzt.
Derartige Materialien sind prinzipiell bekannt und beispielsweise in
Die Herstellung üblicher Materialien erfolgt durch Festphasenumsetzung der Ausgangselemente oder Ausgangslegierungen für das Material in einer Kugelmühle, nachfolgendes Verpressen, Sintern und Tempern unter Inertgasatmosphäre und nachfolgendes langsames Abkühlen auf Raumtemperatur. Ein derartiges Verfahren ist beispielsweise in
Auch eine Verarbeitung über das Schmelzspinnen ist möglich. Hierdurch ist eine homogenere Elementverteilung möglich, die zu einem verbesserten magnetokalorischen Effekt führt, vergleiche
Diese Temperaturen und das Quenchen sind jedoch nicht näher erläutert.
Die nach dem bekannten Verfahren erhaltenen Materialien zeigen häufig eine große thermische Hysterese. Beispielsweise werden in Verbindungen des Fe2P-Typs, die mit Germanium oder Silicium substituiert sind, große Werte für die thermische Hysterese in einem großen Bereich von 10 K oder mehr beobachtet. Damit sind diese Materialien weniger geeignet zur magnetokalorischen Kühlung.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfahrens zur Herstellung von metallbasierten Materialien für die magnetische Kühlung, das zu einer Verminderung der thermischen Hysterese führt. Gleichzeitig soll vorzugsweise ein großer magnetokalorischer Effekt (MCE) erreicht werden.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst, gemäß Anspruch 1, durch ein Verfahren zur Herstellung von metallbasierten Materialien für die magnetische Kühlung oder Wärmepumpen, umfassend die folgenden Schritte
Es wurde erfindungsgemäß gefunden, dass die thermische Hysterese signifikant vermindert werden kann, wenn die metallbasierten Materialien nach dem Sintern und/oder Tempern nicht langsam auf Umgebungstemperatur abgekühlt werden, sondern mit einer hohen Abkühlgeschwindigkeit abgeschreckt werden. Speziell bevorzugt sind Abkühlgeschwindigkeiten von 300 bis 1000 K/s.
Das Abschrecken kann dabei durch beliebige geeignete Kühlverfahren erreicht werden, beispielsweise durch Abschrecken des Festkörpers mit Wasser oder wasserhaltigen Flüssigkeiten, beispielsweise gekühltem Wasser oder Eis/Wasser-Mischungen. Die Festkörper können beispielsweise in eisgekühltes Wasser fallengelassen werden. Es ist ferner möglich, die Festkörper mit untergekühlten Gasen wie flüssigem Stickstoff abzuschrecken. Weitere Verfahren zum Abschrecken sind dem Fachmann bekannt. Vorteilhaft ist dabei ein kontrolliertes und schnelles Abkühlen.
Ohne an eine Theorie gebunden zu sein, kann die verminderte Hysterese auf kleinere Korngrößen für die abgeschreckten (gequenchten) Zusammensetzungen zurückgeführt werden.
In den bisher bekannten Verfahren wurde jeweils nach dem Sintern und Tempern langsam abgekühlt, was zur Ausbildung größerer Korngrößen und damit zur Verstärkung der thermischen Hysterese führt.
Die übrige Herstellung der metallbasierten Materialien ist weniger kritisch, solange im letzten Schritt das Abschrecken des gesinterten und/oder getemperten Festkörpers mit der erfindungsgemäßen Abkühlgeschwindigkeit erfolgt. Das Verfahren kann dabei auf die Herstellung beliebiger geeigneter metallbasierter Materialien für die magnetische Kühlung angewendet werden. Typische Materialien für die magnetische Kühlung sind Multimetallmassen, die oft mindestens drei metallische Elemente und zusätzlich gegebenenfalls nicht metallische Elemente enthalten. Der Ausdruck "metallbasierte Materialien" gibt an, dass der überwiegende Anteil dieser Materialien aus Metallen bzw. metallischen Elementen aufgebaut ist. Typischerweise beträgt der Anteil am gesamten Material mindestens 50 Gew.-%, bevorzugt mindestens 75 Gew.-%, insbesondere mindestens 80 Gew.-%. Geeignete metallbasierte Materialien sind nachfolgend näher erläutert.
In Schritt (a) des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt die Umsetzung der Elemente und/oder Legierungen, die im späteren metallbasierten Material enthalten sind, in einer Stöchiometrie, die dem metallbasierten Material entspricht, in der Fest- oder Flüssigphase.
Vorzugsweise wird die Umsetzung in Stufe a) durch gemeinsames Erhitzen der Elemente und/oder Legierungen in einem geschlossenen Behältnis oder in einem Extruder, oder durch Festphasenumsetzung in einer Kugelmühle erfolgen. Besonders bevorzugt wird eine Festphasenumsetzung durchgeführt, die insbesondere in einer Kugelmühle erfolgt. Eine derartige Umsetzung ist prinzipiell bekannt, vergleiche die einleitend aufgeführten Schriften. Dabei werden typischerweise Pulver der einzelnen Elemente oder Pulver von Legierungen aus zwei oder mehr der einzelnen Elemente, die im späteren metallbasierten Material vorliegen, in geeigneten Gewichtsanteilen pulverförmig vermischt. Falls notwendig, kann zusätzlich ein Mahlen des Gemisches erfolgen, um ein mikrokristallines Pulvergemisch zu erhalten. Dieses Pulvergemisch wird vorzugsweise in einer Kugelmühle aufgeheizt, was zu einer weiteren Verkleinerung wie auch guten Durchmischung und zu einer Festphasenreaktion im Pulvergemisch führt. Alternativ werden die einzelnen Elemente in der gewählten Stöchiometrie als Pulver vermischt und anschließend aufgeschmolzen.
Das gemeinsame Erhitzen in einem geschlossenen Behälter erlaubt die Fixierung flüchtiger Elemente und die Kontrolle der Stöchiometrie. Gerade bei Mitverwendung von Phosphor würde dieser in einem offenen System leicht verdampfen.
An die Umsetzung schließt sich ein Sintern und/oder Tempern des Festkörpers an, wobei ein oder mehrere Zwischenschritte vorgesehen sein können. Beispielsweise kann der in Stufe a) erhaltene Feststoff verpresst werden, bevor er gesintert und/oder getempert wird. Hierdurch wird die Dichte des Materials erhöht, so dass bei der späteren Anwendung eine hohe Dichte des magnetokalorischen Materials vorliegt. Dies ist insbesondere deshalb vorteilhaft, da das Volumen, in dem das magnetische Feld herrscht, vermindert werden kann, was mit erheblichen Kosteneinsparungen verbunden sein kann. Das Verpressen ist an sich bekannt und kann mit oder ohne Presshilfsmittel durchgeführt werden. Dabei kann jede beliebige geeignete Form zum Pressen verwendet werden. Durch das Verpressen ist es bereits möglich, Formkörper in der gewünschten dreidimensionalen Struktur zu erzeugen. An das Verpressen kann sich das Sintern und/oder Tempern der Stufe c) gefolgt vom Abschrecken der Stufe d) anschließen.
Alternativ ist es möglich, den aus der Kugelmühle erhaltenen Feststoff einem Schmelzspinnverfahren zuzuführen. Schmelzspinnverfahren sind an sich bekannt und beispielsweise in
Dabei wird die in Stufe a) erhaltene Zusammensetzung geschmolzen und auf eine sich drehende kalte Metallwalze gesprüht. Dieses Sprühen kann mittels Überdruck vor der Sprühdüse oder Unterdruck hinter der Sprühdüse erreicht werden. Typischerweise wird eine sich drehende Kupfertrommel oder -walze verwendet, die zudem gegebenenfalls gekühlt werden kann. Die Kupfertrommel dreht sich bevorzugt mit einer Oberflächengeschwindigkeit von 10 bis 40 m/s, insbesondere 20 bis 30 m/s. Auf der Kupfertrommel wird die flüssige Zusammensetzung mit einer Geschwindigkeit von vorzugsweise 102 bis 107 K/s abgekühlt, besonders bevorzugt mit einer Geschwindigkeit von mindestens 104 K/s, insbesondere mit einer Geschwindigkeit von 0,5 bis 2 x 106 K/s.
Das Schmelzspinnen kann wie auch die Umsetzung in Stufe a) unter vermindertem Druck oder unter Inertgasatmosphäre durchgeführt werden.
Durch das Meltspinning wird eine hohe Verarbeitungsgeschwindigkeit erreicht, da das nachfolgende Sintern und Tempern verkürzt werden kann. Gerade im technischen Maßstab wird so die Herstellung der metallbasierten Materialien wesentlich wirtschaftlicher. Auch die Sprühtrocknung führt zu einer hohen Verarbeitungsgeschwindigkeit. Besonders bevorzugt wird das Schmelzespinnen (Melt spinning) durchgeführt.
Alternativ kann in Stufe b) ein Sprühkühlen durchgeführt werden, bei dem eine Schmelze der Zusammensetzung aus Stufe a) in einen Sprühturm gesprüht wird. Der Sprühturm kann dabei beispielsweise zusätzlich gekühlt werden. In Sprühtürmen werden häufig Abkühlgeschwindigkeiten im Bereich von 103 bis 105 K/s, insbesondere etwa 104 K/s erreicht.
Das Sintern und/oder Tempern des Festkörpers erfolgt in Stufe c) vorzugsweise zunächst bei einer Temperatur im Bereich von 800 bis 1400 °C zum Sintern und nachfolgend bei einer Temperatur im Bereich von 500 bis 750 °C zum Tempern. Diese Werte gelten insbesondere für Formkörper, während für Pulver niedrigere Sinter- und Tempertemperaturen angewendet werden können. Beispielsweise kann dann das Sintern bei einer Temperatur im Bereich von 500 bis 800 °C erfolgen. Für Formkörper/Festkörper erfolgt das Sintern besonders bevorzugt bei einer Temperatur im Bereich von 1000 bis 1300 °C, insbesondere von 1100 bis 1300 °C. Das Tempern kann dann beispielsweise bei 600 bis 700 °C erfolgen.
Das Sintern wird vorzugsweise für einen Zeitraum von 1 bis 50 Stunden, besonders bevorzugt 2 bis 20 Stunden, insbesondere 5 bis 15 Stunden durchgeführt. Das Tempern wird vorzugsweise für eine Zeit im Bereich von 10 bis 100 Stunden, besonders bevorzugt 10 bis 60 Stunden, insbesondere 30 bis 50 Stunden durchgeführt. Die exakten Zeiträume können dabei je nach Material den praktischen Anforderungen angepasst werden.
Bei Einsatz des Schmelzspinnverfahrens kann auf ein Sintern häufig verzichtet werden, und das Tempern kann stark verkürzt werden, beispielsweise auf Zeiträume von 5 Minuten bis 5 Stunden, bevorzugt 10 Minuten bis 1 Stunde. Im Vergleich zu den sonst üblichen Werten von 10 Stunden für das Sintern und 50 Stunden für das Tempern resultiert ein extremer Zeitvorteil.
Durch das Sintern/Tempern kommt es zu einem Anschmelzen der Korngrenzen, so dass sich das Material weiter verdichtet.
Durch das Schmelzen und schnelle Abkühlen in Stufe b) kann damit die Zeitdauer für Stufe c) erheblich vermindert werden. Dies ermöglicht auch eine kontinuierliche Herstellung der metallbasierten Materialien.
Erfindungsgemäß besonders bevorzugt ist die Verfahrenssequenz
Das erfindungsgemäße Verfahren kann für beliebige geeignete metallbasierte Materialien verwendet werden.
Besonders bevorzugt ist das metallbasierte Material ausgewählt aus
Erfindungsgemäß besonders geeignete Materialien sind beispielsweise in
In den vorstehend genannten Verbindungen der allgemeinen Formel (I) sind bevorzugt C, D und E identisch oder unterschiedlich und ausgewählt aus mindestens einem von P, Ge, Si, Sn und Ga.
Das metallbasierte Material der allgemeinen Formel (I) ist vorzugsweise ausgewählt aus mindestens quarternären Verbindungen, die neben Mn, Fe, P und gegebenenfalls Sb zudem Ge oder Si oder As oder Ge und Si oder Ge und As oder Si und As oder Ge, Si und As enthalten.
Bevorzugt sind mindestens 90 Gew.-%, besonders bevorzugt mindestens 95 Gew.-% der Komponente A Mn. Bevorzugt sind mindestens 90 Gew.-%, besonders bevorzugt mindestens 95 Gew.-% von B Fe. Bevorzugt sind mindestens 90 Gew.-%, besonders bevorzugt mindestens 95 Gew.-% von C P. Bevorzugt sind mindestens 90 Gew.-%, besonders bevorzugt mindestens 95 Gew.-% von D Ge. Bevorzugt sind mindestens 90 Gew.-%, besonders bevorzugt mindestens 95 Gew.-% von E Si.
Vorzugsweise hat das Material die allgemeine Formel MnFe(PwGexSiz).
Bevorzugt ist x eine Zahl im Bereich von 0,3 bis 0,7, w ist kleiner oder gleich 1-x und z entspricht 1-x-w.
Das Material hat vorzugsweise die kristalline hexagonale Fe2P-Struktur. Beispiele geeigneter Strukturen sind MnFeP0,45 bis 0,7, Ge0,55 bis 0,30 und MnFeP0,5 bis 0,70, (Si/Ge)0,5 bis 0,30.
Geeignete Verbindungen sind ferner Mn1+xFe1-xP1-yGey mit x im Bereich von -0,3 bis 0,5, y im Bereich von 0,1 bis 0,6. Ebenfalls geeignet sind Verbindungen der allgemeinen Formel Mn1+xFe1-xP1-yGey-zSbz mit x im Bereich von -0,3 bis 0,5, y im Bereich von 0,1 bis 0,6 und z kleiner als y und kleiner als 0,2. Ferner sind Verbindungen der Formel Mn1+xFe1-xP1-yGey-zSiz geeignet mit x Zahl im Bereich von 0,3 bis 0,5, y im Bereich von 0,1 bis 0,66, z kleiner oder gleich y und kleiner als 0,6.
Bevorzugte auf La und Fe basierende Verbindungen der allgemeinen Formeln (II) und/oder (III) und/oder (IV) sind La(Fe0,90Si0,10)13, La(Fe0,89Si0,11)13, La(Fe0,880Si0,120)13, La(Fe0,877Si0,123)13, L a F e11,8Si1,2, La(Fe0,88Si0,12)13H0,5, La(Fe0,88Si0,12)13H1,0, LaFe11,7Si1,3H1,1, LaFe11,57Si1,43H1,3, La(Fe0,88Si0,12)H1,5, LaFe11,2Co0,7Si1,1, LaFe11,5Al1,5C0,1, LaFe11,5Al1,5C0,2, LaFe11,5Al1,5C0,4, LaFe11,5Al1,5Co0,5, La(Fe0,94Co0,06)11,83Al1,17, La(Fe0,92Co0,08)11,83Al1,17.
Geeignete Mangan enthaltende Verbindungen sind MnFeGe, MnFe0,9Co0,1Ge, MnFe0,8Co0,2Ge, MnFe0,7Co0,3Ge, MnFe0,6Co0,4Ge, MnFe0,5Co0,5Ge, MnFe0,4Co0,6Ge, MnFe0,3Co0,7Ge, MnFe0,2Co0,8Ge, MnFe0,15Co0,85Ge, MnFe0,1Co0,9Ge, MnCoGe, Mn5Ge2,5Si0,5, Mn5Ge2Si, Mn5Ge1,5Si1,5, Mn5GeSi2, Mn5Ge3, Mn5Ge2,9Sb0,1, Mn5Ge2,5Si0,5, Mn5Ge2Si, Mn5Ge1,5Si1,5, Mn5GeSi2, Mn5Ge3, Mn5Ge2,9Sb0,1, Mn5Ge2,8Sb0,2, Mn5Ge2,7Sb0,3, LaMn1,9Fe0,1Ge, LaMn1,85Fe0,15Ge, LaMn1,8Fe0,2Ge, (Fe0,9Mn0,1)3C, (Fe0,8Mn0,2)C, (Fe0,7Mn0,3)3C, Mn3GaC, MnAs, (Mn, Fe)As, Mn1+δAs0,8Sb0,2, MnAs0,75Sb0,25, Mn1,1As0,75Sb0,25, Mn1,5As0,75Sb0,25.
Erfindungsgemäß geeignete Heusler-Legierungen sind beispielsweise Fe2MnSi0,5Ge0,5, Ni52,9Mn22,4Ga24,7, Ni50,9Mn24,7Ga24,4, Ni55,2Mn18,6Ga26,2, Ni51,6Mn24,7Ga23,8, Ni52,7Mn23,9Ga23,4, CoMnSb, CoNb0,2Mn0,8Sb, CoNb0,4Mn0,6SB, CoNb0,6Mn0,4Sb, Ni50Mn35Sn15, Ni50Mn37Sn13, MnFeP0,45As0,55, MnFeP0,47AS0,53, Mn1,1Fe0,9P0,47As0,53, MnFeP0,89-χSiχGe0,11, χ = 0,22, χ = 0,26, χ = 0,30, χ = 0,33.
Die Offenbarung betrifft auch ein metallbasiertes Material für die magnetische Kühlung, das erhältlich ist nach einem wie vorstehend beschriebenen Verfahren, wie es vorstehend anhand der Zusammensetzung definiert ist, ausgenommen As enthaltende Materialien, mit einer durchschnittlichen Kristallitgröße im Bereich von 10 bis 400 nm, besonders bevorzugt 20 bis 200 nm, insbesondere 30 bis 80 nm. Die durchschnittliche Kristallitgröße kann dabei durch Röntgendiffraktion ermittelt werden. Wird die Kristallitgröße zu klein, so vermindert sich der maximale magnetokalorische Effekt. ist die Kristallitgröße hingegen zu groß, steigt die Hysterese des Systems an.
Die metallbasierten Materialien werden bevorzugt in der magnetischen Kühlung eingesetzt, wie sie vorstehend beschrieben wurde. Ein entsprechender Kühlschrank weist dabei neben einem Magneten, vorzugsweise Permanentmagneten, metallbasierte Materialien auf, wie sie vorstehend beschrieben sind. Auch die Kühlung von Computerchips und solaren Stromerzeugern kommt in Betracht. Weitere Anwendungsgebiete sind Wärmepumpen und Klimaanlagen.
Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten metallbasierten Materialien können jede beliebige Festkörperform aufweisen. Sie können beispielsweise in Form von Flocken, Bändern, Drähten, Puder, Pulver wie auch in Form von Formkörpern vorliegen. Formkörper wie Monolithen oder Wabenkörper können beispielsweise durch ein Heißextrusionsverfahren hergestellt werden. Es können beispielsweise Zelldichten von 400 bis 1600 CPI oder mehr vorliegen. Auch durch Walzverfahren erhältliche dünne Bleche sind erfindungsgemäß bevorzugt. Vorteilhaft sind nicht-poröse Formkörper aus geformtem dünnem Material, z. B. Röhren, Platten, Netze, Gitter oder Stäbe. Auch eine Formgebung durch Metallspritzgussverfahren (MIM) ist erfindungsgemäß möglich.
Die Erfindung wird durch die nachstehenden Beispiele näher erläutert.
Evakuierte Quarzampullen, die gepresste Proben von MnFePGe enthielten, wurden für 10 Stunden bei 1100 °C gehalten, um das Pulver zu sintern. Auf dieses Sintern folgte ein Tempern bei 650 °C für 60 Stunden, um eine Homogenisierung herbeizuführen. Anstelle eines langsamen Abkühlens im Ofen auf Raumtemperatur wurden die Proben jedoch sofort in Wasser bei Raumtemperatur gequencht. Das Quenchen in Wasser verursachte einen gewissen Grad von Oxidation an den Probenoberflächen. Die äußere oxidierte Schale wurde durch Ätzen mit verdünnter Säure entfernt. Die XRD-Muster zeigen, dass alle Proben in einer Struktur des Fe2P-Typs kristallisieren.
Folgende Zusammensetzungen wurden dabei erhalten:
Die thermische Hysterese wurde dabei in einem Magnetfeld von 0,5 Tesla bestimmt.
Die Curie-Temperatur kann durch Variation des Mn/Fe-Verhältnisses und der Ge-Konzentration eingestellt werden, ebenso der Wert für die thermische Hysterese.
Die Änderung der magnetischen Entropie, berechnet aus der Gleichstrommagnetisierung unter Verwendung der Maxwell-Beziehung beträgt für eine maximale Feldänderung von 0 bis 2 Tesla für die ersten drei Proben 14 J/kgK, 20 J/kgK bzw. 12,7 J/kgK.
Die Curie-Temperatur und die thermische Hysterese nehmen mit zunehmendem Mn/Fe-Verhältnis ab. Im Ergebnis zeigen die MnFePGe-Verbindungen relativ große MCE-Werte in niedrigem Feld. Die thermische Hysterese dieser Materialien ist sehr klein.
Die polykristallinen MnFeP(Ge,Sb)-Legierungen wurden zunächst in einer Kugelmühle mit hohem Energie-Eintrag und durch Festphasenreaktionsverfahren hergestellt, wie sie in
Aus der Röntgendiffraktometrie geht hervor, dass alle Proben im hexagonalen Fe2P-Strukturmuster kristallisieren. Im Unterschied zu nicht nach dem Schmelzspinnverfahren hergestellten Proben, wurde keine kleinere Verunreinigungsphase von MnO beobachtet.
Die erhaltenen Werte für die Curie-Temperatur, die Hysterese und die Entropie wurden für unterschiedliche Umfangsgeschwindigkeiten beim Schmelzspinnen bestimmt. Die Ergebnisse sind in den nachstehenden Tabellen 1 und 2 aufgeführt. Jeweils wurden geringe Hysterese-Temperaturen bestimmt.
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