Ökad förståelse för hur framtidens material ska designas för industriella applikationer
Foto: Ant Rozetsky
Sedan människans tidigaste historia har material använts för att få en drägligare vardag. Till exempel användes redan på stenåldern stenverktyg såsom pilar och yxor för jakt och byggnationer. Ett tydligt exempel på utvecklingen hos material är de olika historiska tidsåldrarna vilka namngetts av de resurser som fanns att tillgå, sten på stenåldern, brons på bronsåldern och järn på järn- åldern. Sedan järn började brukas kom magnetiska material till människans kännedom (om än utan vetskap om magnetismens ursprung). De magnetiska egenskaperna fascinerade eftersom den är en osynlig kraft som ännu inte förstås helt och fullt, men ändå har funnit en mängd användningsområden.
Magnetiska nålformade stenar (bestående av magnetit) upptäcktes ställa in sig enligt jordens magnetfält om de flöt på vatten och blev starten för kompassen vilken länge var oumbärlig vid navigation till sjöss. I dagens samhälle används magnetiska material till en rad applikationer, både mer och mindre välkända. Den mest synliga användningen är kylskåpsmagneter, vilka finns i de flesta hem för att fästa små budskap, teckningar eller andra viktiga lappar. Till de mindre kända hör till exempel hårddiskar, generatorer och elmotorer, vilka utan magnetism inte skulle fungera. I min avhandling har magnetiska material studerats för tilltänkta funktioner i energiapplikationer såsom exempelvis vindkraftverk, elmotorer och kylskåp.
En kylskåpsmagnet har ett permanent magnetiserat tillstånd och sägs därför vara en permanentmagnet. Permanentmagneter används inom de flesta energiapplikationer, framförallt i generatorer där de ingår som viktiga komponenter för att omvandla en energiform till en annan (till exempel rörelseenergi till elektrisk energi). Ett annat användningsområde för magnetiska material som kommer bli allt viktigare med global uppvärmning är kylapplikationer, dvs. kylskåp och luftkonditionering. Med ett kylskåp drivet av magnetiska material, och den magnetokaloriska effekten, kan upp till 20-30% energi sparas jämfört med dagens teknologi. Den magnetokaloriska effekten som ger upphov till det beskrivs i figur 6.1. Genom att utnyttja att ett material värms upp om det utsätts för ett yttre magnetfält ((1)→(2) i figur 6.1) och sedan kyls ner när magnetfältet avlägsnas ((3)→(4)) erhålls ett cykliskt förlopp.
En grundförutsättning för att ett material ska fungera som en bra permanentmagnet är att det har en hög övergångstemperatur (även kallad Curietemperatur (Tc)). Ämnet tappar sina magnetiska egenskaper om denna temperatur överskrids. En annan viktig egenskap är dess förmåga att uppbära höga magnetiska moment på sina magnetiska element.
Ett material som studerats för permanentmagnetapplikationer är Fe5SiB2, vilket uppfyller de nämnda kraven. Tyvärr så kan inte materialet motstå att bli avmagnetiserat när ett yttre magnetfält avlägsnas. Vid studierna av de magnetiska egenskaperna hittades ett intressant beteende vid låga temperaturer. Det föranledde studier av de magnetiska strukturerna vid rumstemperatur och låga temperaturer. Resultatet blev att det fascinerande magnetiska beteendet kan förklaras med en omorientering av de magnetiska momenten, det vill säga, en ändring i den magnetiska strukturen.
För att försöka förbättra de magnetiska egenskaperna för permanentmagnetapplikationer undersöktes om kisel kunde ersättas med fosfor. Det visade sig att även om substitutionerna var möjliga så förbättrades inte egenskaperna tillräckligt mycket för applikationen som permanentmagnet. Däremot upptäcktes att den magnetiska strukturen vid låga temperaturer hos Fe5SiB2 förhindrades vid fosforsubstitutionen. Ytterligare försök för att förbättra materialet för användning som permanentmagnet gjordes genom att byta ut järnet mot kobolt. Då uppdagades att det magnetiska momentet försvann mer och mer vid högre kobolthalter. Detsamma skedde med Tc, vilken sjönk från flera hundra grader till under rumstemperatur. Att kunna kontrollera övergångstemperaturen, speciellt kring rumstemperatur, är dock optimalt för applikationer som bygger på magnetisk kylning. Det eftersom den magnetokaloriska effekten är som störst i närheten av Tc.
Även andra materialsystem har studerats för magnetisk kylning. Ett av dem är AlFe2B2, vilket är intressant mycket tack vare en övergångstemperatur nära rumstemperatur. Noggranna studier av den magnetiska strukturen genomfördes med två olika analysmetoder och resultaten utvärderades oberoende av varandra.
De modeller som framtogs var delvis överensstämmande men hade vissa avvikelser. Avvikelsen kan antas bero på en sämre noggrannhet för den ena analysmetoden. Den sammantagna slutsatsen blir, när även teoretiska beräkningar tas i beaktande, att den magnetiska strukturen lösts för AlFe2B2, 62 med resultatet att den ferromagnetiska strukturen har alla magnetiska moment samlade i den kristallografiska a-axeln. Även försök med andra grundämnen än järn har utförts med samma struktur som AlFe2B2. Dock framkom det att då mangan används istället för järn, helt eller delvis, så uppstår andra typer av magnetiska effekter. Det gör att ett tillstånd gynnsamt för magnetisk kylning inte uppnås då materialet inte klarar kravet för parallella magnetiska moment, ett krav visualiserat i figur 6.1.
Fe2P, en moderstruktur för användbara material för magnetisk kylning, studerades med avsikten att förklara temperaturändringen hos materialet när det magnetiseras. Det visade sig att vibrationerna i strukturen har större inflytande när materialet är magnetiserat. Elektronerna i materialet har således lättare att röra sig genom strukturen i ett magnetiskt tillstånd, vilket leder till att värme kan skapas och materien värms upp. Det innebär att den magnetokaloriska effekten kan förklaras, i alla fall delvis.
Sammanfattningsvis så har olika materialsystem studerats i syfte att kunna användas kommersiellt. Tyvärr är det inget av materialen som uppfyller kraven för just de applikationer de studerats för. Däremot har systematiska studier föranlett en förståelse för hur framtida material ska designas för att erhålla ett gångbart resultat för industriella applikationer.
