Mühendislik Fakültesi Manyetik Malzemeler Araştırma Grubu Bor Tabanlı Manyetik Malzemeler ve Savunma Sanayii nde, Ankara, 1
Ġçerik GiriĢ Bor Tabanlı Manyetik Malzemeler Sert ve YumuĢak Manyetik Malzemeler Sınıflandırma Bazı yumuģak manyetik malzemeler Bazı sert manyetik malzemeler Kullanım Alanları Borlu AlaĢımlar Manyetik Soğutma Teknolojisi Manyetokalorik Etki Manyetik Soğutmanın (MS) Avantajları MS ÇalıĢma Prensibi MS Kullanım Alanları Savunma Sanayinde MS MS ve Borlu AlaĢımlar MMAG Altyapı 2
GiriĢ Manyetik malzemeler binlerce yıldır biliniyor. Manyetik malzemelerin ilk uygulaması pusula 11. y.y. dan beri biliniyor. William Gilbert 1600 yılında yayınladığı De Magnete isimli kitabında yerin manyetik alanının olduğunu ileri sürmüģtür. Manyetizma keģfedildiğinden bu yana bir çok teknolojik uygulaması olmuģtur. 3
GiriĢ Manyetik malzemeler binlerce yıldır bilinsede ilk sistematik çalıģmalar 19 y.y. da baģlamıģtır. Bu çalıģmaların sonucunda manyetik malzemeler iki sınıfa ayrılmıģtır : Manyetik Malzemeler Sert Manyetik Malzemeler YumuĢak Manyetik Malzemeler 4
Sert ve YumuĢak Manyetik Malzemeler Sınıflandırma Sert ve yumuģak sınıflandırması manyetizasyon eğrisine göre yapılmıģtır B B r : Artık Alan H c : Zorlama Alanı +B r H c H c H YumuĢak manyetik malzeme -B r Sert manyetik malzeme 5
Sert ve YumuĢak Manyetik Malzemeler YumuĢak manyetik malzemeler Bazı yumuģak manyetik malzemeler Fe-Si AlaĢımları Fe-Ni AlaĢımları Fe-Co AlaĢımları Ferritler Amorf ve nanokristal malzemeler (Bor tabanlı) YumuĢak manyetik malzemeler manyetik akının bir yerden bir yere taģınması gereken her yerde kullanılırlar. 6
Sert ve YumuĢak Manyetik Malzemeler Sert manyetik malzemeler Bazı sert manyetik malzemeler ve özellikleri Magnet B r (T) H C (ka/m) T c ( o C) Ferritler 0,35 320 25 AlNiCo5 1.30 65 60 FeCrCo 1.30 65 60 AlNiCo8 0.85 145 55 SmCo 1:5 0.90 3500 200 SmCo 2:17 1.15 3000 260 Nd-Fe-B 1.40 2000 420 7
Sert ve YumuĢak Manyetik Malzemeler Kullanım Alanları Kullanım Alanı Ürünler Malzeme YumuĢak Manyetik Malzeme Güç Dönüştürücü elektriksel mekanik Güç ayarlanması Sinyal transferi Motorlar, Jeneratörler, Elektromagnetler (Güç) Transformatörleri Taşıyıcı Transformatörler Fe tabanlı malzemeler: Fe+(0.7-5)%Si Fe+(35-50)%Co Metglas, Finemet LF (<100 khz e kadar) HF (>100 khz den yüksek) Manyetik Zırhlama Sert Manyetik Malzeme Fe/Ni/Co Ni-Zn Ferritler Ni/Fe/Cu/Cr (Mu-Metal), Metglas Finemet Kalıcı Mıknatıs Analog-digital data saklama Hoparlör, Küçük dinamolar Küçük motorlar,sensörler Video bandı,ses bandı Hard Disk,Floppy Disk Fe/Co/Ni/Al/Cu, SmCo 5 Sm 2 Co 17, Nd 2 Fe 14 B) NiCo, CuNiFe, CrO 2, Fe 2 O3 8
Sert ve YumuĢak Manyetik Malzemeler Borlu AlaĢımlar Sert ve yumuģak manyetik malzemeler içinde Bor tabanlı alaģımlar önemli bir yer tutar. Özellikle sert manyetik malzemelerde Nd-Fe-B Ģu ana kadar bilinen en üstün manyetik özelliklere sahiptir ve ticari olarak büyük bir pazara sahiptir. YumuĢak manyetik malzemelerde ise metal camları olarak bilinen amorf yapıdaki Fe-Cu-Nb-Si-B (FINEMET), Fe-Nb-Zr-B-Cu (NANOPERM), Co-Fe-Nb-Si-B (HITPERM) gibi malzemeler ticari olarak büyük miktarlarda üretilir ve kullanılırlar. 9
Sert ve YumuĢak Manyetik Malzemeler Yeni Kullanım Alanı! Sert ve yumuģak manyetik malzemelerin bir arada kullanılabileceği yeni bir teknoloji var! MANYETĠK SOĞUTMA Kalıcı Mıknatıs olarak : Nd-Fe-B Magnetokalorik Malzeme : Borlu yumuģak manyetik malzemeler Manyetik zırhlama : Borlu yumuģak manyetik malzemeler 10
Manyetik Soğutma Manyetokalorik Etki Manyetik soğutma manyetokalorik etkiye dayanır Manyetik Manyetokalorik alan uygulanınca etki Spinler düzenlenir Sıcaklık artar B=0 B>0 Manyetik alan kaldırılınca Spinler rastgele yönelir Sıcaklık azalır 11
Sert ve YumuĢak Manyetik Malzemeler Manyetik Soğutmanın Avantajları Enerji Gaz sıkıģtırmalalı soğutma teknolojisine göre %50 ye varan enerji tasarrufu sağlayabilir. Yüksek Verim Yüksek COP li Carnot Çevriminin %70 Buhar Sık. Soğutucuda Carnot Çev.: <%40!!! Sera Gazsız sistem Çevre dostu Floran içermeyen soğutucu Katı soğutucu Küçük sistem Gürültüsüz Kolay ısı değiģ-tokuģu DüĢük maliyet DüĢük bakım masrafı 12
Sert ve YumuĢak Manyetik Malzemeler Manyetik Soğutucunun ÇalıĢma Prensibi 13
Sert ve YumuĢak Manyetik Malzemeler Manyetik Soğutucu 14
Manyetik Soğutma Manyetik Soğutmanın Kullanım Alanları Gıda Koruma Teknolojisi (275 K) Evler, süpermarketler, restaurantlar DondurulmuĢ Gıda Teknolojisi (250-265 K) Süpermarketler, Gıda iģleme fabrikaları Klima Teknolojisi (285-325 K) Evler, alıģveriģ merkezleri Gaz SıvılaĢtırma Teknolojisi (20-300 K) Hidrojen, Doğalgaz, Propan, Amonyak, Bütan Zirai SoğutmaTeknolojisi (290-320 K) Tahıl Kurutma Endüstriyel SoğutmaTeknolojisi (300-470 K) ġeker Arıtma, Ġçki Damıtma Atık Ayıklama ve ĠĢleme Teknolojisi (70-370 K) Kimyasal, Nükleer, Ziraat 15
Manyetik Soğutma Savunma Sanayinde Manyetik Soğutma Manyetik Soğutma savunma sanayi için ilgi çekici bir teknoloji olma yolunda hızla ilerlemektedir: Özellikle Hava ve Deniz kuvvetlerinde bazı sistemlerin soğutulmasında hafif ve kompakt Manyetik Soğutma sistemi kullanılacaktır. Çalışma aralığı 50 ile 80 C olan güçlü makinelerin ve elektronik aygıtların soğutulmasında Manyetik Soğutma sistemi kullanılacaktır. Elektronik aygıtların daha düşük sıcaklıkta çalışmasını sağlayacak ve böylece servis ömürlerini arttıracaktır. 16
Manyetik Soğutma Savunma Sanayinde Manyetik Soğutma Manyetik soğutucular küçük ve sessiz çalıģan sistemler olduğundan savunma sanayinde birçok alanda kullanım potansiyeline sahiptir: Elektronik devrelerin soğutulmasında Uçakların ısı salınımının indirgenmesinde Gemilerde Uydu sistemlerinde Radarlarda Manyetik soğutucular askeri uygulamalarda kullanılacak sistemlerde olması istenilen dayanıklılık, ucuzluk, taģınabilir olma, kompakt olma gibi özelliklerin hepsine birden sahiptir ve bu yüzden askeri alanda soğutma amaçlı kullanılan chiller lerin yerini almaya adaydır. 17
Manyetik Soğutma Borlu Sert ve YumuĢak Manyetik Malzemeler Bor içeren sert ve yumuģak manyetik malzemeler stratejik açıdan önemlidir. Manyetik soğutucularda bu tür malzemeler aynı anda kullanılabilir: Kalıcı Mıknatıs Bor içeren Nd 2 Fe 14 B kalıcı mıknatıs olarak kullanılabilir. Manyetokalorik Malzeme Manyetik soğutmanın elde edilebilmesi için manyetokalorik özellik gösteren malzeme olmazsa olmazdır. Üstün manyetokalorik özellik gösteren malzemelere Bor katkılamanın bu özelliklerin artmasına yol açtığı biliniyor.bor içeren yeni ve üstün manyetokalorik özellik gösteren malzemelerin üretilmesi nadir yer elementi açısından tamamen dıģa bağımlı olan Türkiye nin bu problemini çözecektir. Manyetik Zırhlama Manyetik soğutucuda kullanılan kalıcı mıknatısın yaratacağı manyetik alanın çevresindeki elektronik ekipmanlara zarar vermesini önlemek için kullanılır. Bu amaçla bor içeren yumuģak manyetik malzemeler kullanılabilir. 18
Tarihçe AraĢtırma laboratuarımız uluslar arası standartlardadır. Laboratuarımızda tüm Bor tabanlı manyetik malzemeleri üretip, bu malzemelerin yapısal ve fiziksel özelliklerini inceleme olanağına sahibiz. Manyetik soğutma ile ilgili çalıģmalara 2004 yılında baģladık. 2006 yılından itibaren yaptığımız çalıģmalar ile çeģitli yumuģak manyetik malzemeler (Fe-Co-Nb-B ve Fe-Co-Nb-Zr-B gibi) ürettik ve bunların manyetik özelliklerini geliģtirmeyi baģardık. 2006-2009 yıllarında yaptığımız BOREN projesi ile mıknatıs yapımında kullanılacak Nd 2 Fe 14 B tozlarını ürettik. 19
Elde Edilen Sonuçlar Sıvı azot sıcaklığında kullanılabilecek en üstün MKE ye sahip malzeme elde edildi (2007). Histerisis ve buna bağlı enerji kayıplarının en aza indirildiği malzeme üretildi (2007). Oda sıcaklığında en üstün MKE ye sahip malzeme elde edildi (2009). 70 C de en üstün MKE ye sahip malzeme elde edildi (2011). Türkiye de ilk manyetik soğutucu prototipinin üretimi amacıyla çalıģmalarımız devam etmektedir. 20
MMAG vs Diğer MKE Malzemeleri DH=1.5 Tesla T C (K) ΔS M (mj/cm 3 K) ΔT ad (K) /kg ΔS M / (mj/cm 3 K ) (La 0.7 Ca 0.3 )MnO 3 227 12 1.5 9 1.3 La(Fe 11.375 Al 1.62 ) 145 13 1.9 7 1.9 Gd 294 25 3.6 20 1.3 Gd 5 Si 2 Ge 2 276 42 4.5 60 0.7 DyCo 2 142 46 1.8 45 1.0 La(Fe 11.44 Si 1.56 ) 195 50 2.1 8 6.3 MnAs 318 66 3.9 10 6.6 MMAG1 297 75 5.7 6 12.5 MMAG2 333 106 11 5 21.2 21
MMAG vs Diğer MKE Malzemeleri 22
Altyapı 23
Altyapı 24
TeĢekkürler! 25