Investigação da rota de redução difusão aplicada à produção de compostos à base de La-Fe-Si

Abstract

Dentro da proposta da tecnologia promissora de refrigeração magnética em aplicações domésticas, desafios que concernem a produção de um material magnetocalórico à base da faseLa1(Fe,Mn,Si)13 (fase 1:13) são: 1) produzir um material monofásico; 2) hidrogenar completamente a fase 1:13 de modo a modificar sua temperatura de transição de comportamento magnético(ou seja, sua TC): e 3) contornar a problemática fragilidade de urna peça maciça contendo a fase 1:13 após o processamento com hidrogênio. Considerando estes desafios, o processo de Redução Difusão (R-D) desponta como um processo alternativo de obtenção de compostos intermetálicos baseado na metalurgia do pó onde a matéria-prima para a preparação da liga La-Fe-Si é disponibilizada na forma óxida (no caso, La203) e particulada (Fe e Si). Esta dissertação tem como objetivo a otimização deste processo, a fim de maximizar a formação de fase 1:13, hidrogenar por completo os interstícios da mesma para a modificação da TC, e adicionalmente, modificar a estrutura 1:13 pela substituição parcial de Fe por Mn a fim de trazer a TC da liga para valores próximos da temperatura ambiente (Tamb) após a hidrogenação completa. Desta maneira, é possível a obtenção de pós hidrogenados com propriedades magnetocalóricas a Tamb. Foi mostrado que a etapa de reação metalúrgica teve sua eficiência modificada através da modificação dos pós precursores obtendo até 96% em peso de fase 1:13. As etapas de lixiviação foram responsáveis por alterar a da liga de 207 para 338 K, valores similares aos reportados para a hidrogenação completa da liga por vias gasosas. Por fim, o processo R/D mostrou-se também capaz de modificar a TC pela modificação por Mn,inserindo-o na etapa inicial como pó precursor, obtendo TC de 317 e 283 K para uma alteração na estequiometria da fase La1Fe11,5-x MnxSi1,5, onde x = 0,1 e 0,3, respectivamente. A variação de entropia magnética para as três propostas de estequiometria apresentam transições de fase magnética com caráter de segunda ordem, e os valores máximos são de 8,1. 6.0 e 2.81 J/kg.K para x= 0, 0,1 e 0,3 respectivamente, com uma variação de campo de 2 T. Conclui-se assim que o processo de R-D é uma alternativa para a produção de pós magnetocalóricos próprios para fabricação de refrigerantes magnéticos para aplicações ao redor da temperatura ambiente.

Abstract: Within the promising endeavor of magnetic refrigeration technology for domestic applications, challenges concerning the production of a magnetocaloric material based on the La1(Fe,Si)13 (1:13) phase, challenges concern: 1) Producing a monophasic material; 2) Modifying the magnetic transition temperature (TC) by a complete hydrogenation of its interstitial sites, and 3) circumventing the phase fragility of the postprocessed part after the hydrogenation step. When considering these challenges, the Reduction Diffusion (R-D) process stands out as an alternative process for intermetallic alloy production, where the raw materials for the alloy obtention are presented in its powdered oxide (in this case, La2O3) and powdered metallic form (Fe and Si). This dissertation aims for the optimization of this process towards the phase production maximization, complete saturation of the hydrogen sites during the lixiviation step, and in order to modify the alloys TC aftercomplete saturation, a partial substitution of the Fe sites with Mn is also proposed, bringing the TC of the alloys close to ambient temperature (Tamb). It has been shown that the metallurgical step reaction can have its yield changed by the modification of the particle sizes of the precursor materials, reaching up to 96% of the 1:13 phase formation. The lixiviation steps were responsible for the modification of the alloy TC from 207 to 338 K, values similar to reported TCs for completely hydrogenated alloys processed by thermal diffusion of gaseous hydrogen. Lastly, the Mn modification was capable of changing the TC by adding Mn it as a precursor material, obtaining TC of 317 e 283 K for a stoichiometry modification of the La1Fe11:5-x MnxSi1:5 phase, where x = 0.1 and 0.3, respectively. The variation of magnetic entropy for the three stoichiometry proposal presented a second phase magnetic transition character, with maximum values of 8.1, 6.0 and 2.81 J/kg.K for x=0, 0.1 and 0.3, respectively, for a external field variation of 2 T. Thus it is possible to conclude that the R-D process is an alternative for the production of magnetocaloric powders suited for the processing of magnetic refrigerants for Tamb applications.