(GdxDy1-x)12Co7磁热效应的研究 物理学毕业论文

1 (2摘 要： 因为本身具有节能、环保等突出优点，温室磁制冷技术越来越受到人们的关注。磁制冷材料作为其中的关键技术，其发展具有十分重要的作用。本文首先就磁制冷的基本原理、磁制冷材料的发展等问题做了简要概述。 本文通过 2x 列合金的相结构和磁热效应。其结果表明，所有试样均为单斜晶体，随着 金的居里温度从 9242外加磁场为 2(2x 列合金的最大磁熵变为 k。 通过对合金的 明合金存在通过从二级相变转变成一级相变的现象。 关键词 ： (2系；磁熵变；磁热效应 2 n (2 at s to in to be an in of of 2x d tc 2k 42k, sm ot (23 1 绪论 言 传统气体压缩制冷技术已经被广泛应用与家用电器、工业生产、航空航天、国防、地球物理探 测等领域。但是近年来人们发现应用于气体制冷的制冷剂氟利昂，不仅制冷效率低、能耗大、而且污染环境，严重破坏臭氧层甚至带来温室效应。因此国际上禁止使用氟利昂的呼声越来越强烈。一方面人们开始积极开发新的不破坏大气臭氧层的气体制冷工质来替代氟利昂制品 1。另一方面，人们期待着科学家们能带给人类一种全新的制冷技术，主要是非压缩式制冷技术，包括吸收式制冷，半导体制冷以及磁制冷。磁制冷是借助磁制冷材料的磁热效应（即在等温磁化时向外界排放热量，而退磁时吸收外界热量）而达到制冷目的。与传统气体压缩制冷相比，磁制冷以固体磁性 材料为工质，不使用氟利昂和压缩机，制冷效率高、能耗小、运动部件少、噪音小、体积小、可靠性高以及无环境污染，因而磁制冷技术被专家公认为高科技绿色制冷技术。可以替代传统气体压缩制冷技术而被广泛用于家用电器、工业生产、航空航天、国防等领域。因此磁制冷技术因其节能高效和无环境污染两大突出优点而受到世界各国研究者的青睐和重视。科学家们普遍认为室温磁制冷技术具有巨大的发展前景。 磁制冷的基本概念 热效应 磁热效应是磁性材料本身所固有的属性，它是指磁性材料在磁场发生变化时 ， 材料本身所产生 的温度升高和降低的现象 2。 制冷原理 磁制冷，即利用磁性材料的磁热效应来制冷的新型制冷技术。磁性物质是由具有磁矩的质子或磁性离子组成的结晶体， 它 有一定的热运动或热振动。当不加磁场时，磁性物质内磁矩的取向是无规则（随机）的，此时其相应的熵较大。（图 磁热效应的产生同磁熵变有关，当磁制冷材料（顺磁物质或软铁磁物质）被磁化时，磁矩沿磁化方向择优取向，在等温条件下，自旋有序度增加，磁熵降低，向外界等温排热（图 当磁场强度减弱时，由于磁性原子或离子的热运动，其磁矩又趋 于无序，在等温条件下，磁工质从外界吸热，温度降低（图 3。 4 顺磁质和铁磁质制冷的原理基本相同，但是在室温附近制冷要采用铁磁质，这是因为顺磁质在室温已经不再适用。退磁过程实际上是磁熵增加的过程，当工作物质处于绝热状态，磁系统能量的升高要靠晶格热运动能量的降低来补偿。因此，晶格比热越小，可获得的退磁温降就越大。在低温下，顺磁质晶格比热很小，容易获得大的退磁温降。然而在室温附近，顺磁质晶格比热增大，只能获得较小的温降。 另外，在室温附近，顺磁质的热骚动能量增加到低温时的七十多倍 ，这时欲排出同样比例的磁熵，所需的外场即使使用超导物体通常也只能提供 10t 左右的外场。因此，顺磁质不适于作为室温磁制冷的工作物质 4。 而铁磁材料的磁性原子和顺磁材料的一样，都具有净磁矩 。 不同的是，在铁磁物质中存在相邻原子电子间的交换相互作用。但铁磁体处于外场中， 它 的自旋磁矩实际上受到的是外场和交换作用附加场的共同作用。交换作用附加场可以高达数百特斯拉，这使得利用铁磁体实现室温磁制冷成为可能，因此室温条件下常采用铁磁质作为磁制冷材料。 磁制冷实现的过程 了解磁制冷基本原理，目 的是要实现磁制冷，关于磁制冷实现的过程可通过图 (1) 外磁化场作用在磁工质上，工质的磁熵减小，温度上升。 (2) 通过热交换把磁工质的热量带走。 (3) 易趣外磁化场，磁工质内自选系统又变得无序，在退磁过程中消耗内能，使磁工质温度下降。 (4) 通过热交换磁工质从低温热泵吸热，从而实现制冷的目的 5。 5 磁制冷热力学基础 常压下的磁体的熵 s(t,h)是磁场强度（ h）和绝对温度（ t）的函数。她是磁熵 格熵 电子熵 ： s(t,h)= t,h) +,h)+ ,h) (1铁磁材料的熵是在两个常磁场下（零磁场 非零磁场 应的磁熵和非磁熵的和。当在绝热状态下（即系统中的总熵在磁场变化时保持不变）施加的磁场有 以观察到 象（即绝热温度上升 t) h=( 。在图 的水平箭头表示为在相应的 s（） 时温度的变化 t) h。 值也可表达为等温磁熵变化，在这种情况下，等于等温状态下相应的 (t)h 的变化。 )=0)一 i)，如图 垂直的箭头。因此 t) h 和 )的量来表达磁热特性。 t) h 和 ) h 均是原始温度 磁场转变前的温度 )和磁场变化 ( h=函数。 从热力学角度讲，磁热效应是通过一个外力 (磁场 )，使熵产生改变，从而进一步形成一个温度变化。用热力学推导 t、 导过程如下 : 6 磁性材料在磁场为 h 从温度为 t 压力为 p(注 :因磁性材料为固体，如忽略体热膨胀，为简化起见，可以认为压力恒定，即不考虑压力 p 的影响 )的体系中， 对体系的 数微分可以得到 磁熵 s(t,h)=-()h (1磁化强度 m(t,h)=- ()t (1熵的全微分 )h ) (1 在恒磁化场下，定义磁比热 定磁化场下，材料的总比热 ) ()h (1由方程 (1 (1得 ()t= ()h (1式 (1著名的 系，将式 (1式 (1入 (1式中可得 ) (1对方程 (11） 在等温条件下， ()h (1对式（ 1分可求得 磁熵变 t,h)=,h)- ,h=0)= 0(1 7 2） 绝热条件下， , - )h (1 积分可得 3） 等磁化场条件下， , (1如能通过实验测得 m(t,h)及 ,t), 根据方程（ 1（ 1（ 1求解出 。 热效应的测量方法 接测量法 当磁场发生变化时，磁工质产生磁热效应，材料 将产生温度变化，如果 把材料在磁场变化前的温度记为 场变化终了时的温度记为 么材料的磁热效应 t=接测量方法的任务就是测量磁性材料在磁场变化过程中的绝热温度变化 t。 直接测量装置按照温度计测温方式的不同，可以分为直接接触和非直接接触。直接测量装置中的磁体可以用超导磁体、常导螺线管磁体、电磁体和永磁体。按照不同的磁体，直接测量装置可分为超导式和常导式。 测定磁热效应时，可以采用对试样直接施加磁场或去掉磁场，或是将试样在移入或移出一个匀强磁场中达到对试样直接加磁或去磁。这种操作方法一般仅用于永磁体磁场，采用高磁场强度十分困难。 直接测量法的精度取决于温度计的误差 、 磁场的设定 、 试样的绝热状况（在材料的 大时，这一点是测量误差的主要来源之一），以及如何弥补在磁场变化时对温度计的读数的影响。一般说来，其误差在 5由于材料的温度变化不仅受磁场的改变的频率的影响，同时也是时间的函数，因此温度传感器的敏感性也是十分重要的误差来源。 接测量法 直接测量法只能测量绝热温度变化，而间接测量法通过计算不仅可以获得 还可以得到 主要的方法有两种，（ 1）由磁化强度 m 变化计算 方程 1（ 2） 8 材料的热容 化计算 t）和 t）h. 经比较，以上三种测量方法都各有优缺点。直接测量法直观但是误差大，操作困难。用测量磁化曲线间接测得 方法，花费时间较短，测量较为简便。h虽然通过测量热容的方法可以同时获得 是测量磁比热需要花费很多时间，还需要考虑磁熵 s 7。 文研究方案 、主要研究内容、拟解决的关键问题及技术路线 要研究内容 用实验手段对 (2金的磁热效应进行测定，通过添加微量的其它相关元素以提高其磁致冷性能。 解决的关键问题 用高真空电弧炉在高纯氩气保护下熔炼合金以及在石英玻璃管中对合金进行退火解决稀土合金的易氧化问题； 当适当添加稀土金属时，通过 x 射线分析解决由于熔炼挥发导致的合金化学成分偏离问题；严格控制均匀化处理温度和时间以解决合金中的均匀及平衡问题。 究方法及试验方案 在参考相关的二元合 金相图及文献的前提下，有指导性的配制合金样品，并采用高真空电弧炉在高纯氩气保护下熔炼合金试样； 测定有代表性的二元或三元合金试样的差热分析数据，供制定合适的均匀化处理工艺； 制粉及去应力退火后通过 x 射线衍射仪扫描，收集衍射数据，进行物相分析，配合金相分析及电子显微镜分析，确定每一个合金试样存在的物相。 采用低温控制、恒温装置和强磁场的振动样品磁强计测定所研究的化合物的的线，通过计算机程序处理求出它们的相应居里温度、磁熵变以及磁化率等参数，分析该合金的磁热性能； 结合实验数据通过理论 分析，解释合金性能的机理。 术路线： 合金试样成分配置 真空电弧炉熔炼合金试样 均匀化热处理 制备适当试样 进行 x 射线衍射分析、金相显微镜分析 测定物相 选取合金化合物进行磁热效应测量 利用工具软件数据进行分析。 9 2 实验设计及试验方法 配料以及所用设备 材料 本实验所选用的原料纯度如下： 实验所使用的设备 ： 样品熔炼采用高频感应炉和非自耗电弧炉 称量仪器为光电分析天平（感应量为 分析仪器为 x 射线衍射仪 振动样品磁强计 验过程 量样品 根据原子百分含量和质量百分含量的换算关系，计算各种组分的含量（质量百分含量）。用光电分析天平称量各个试样所含的各种组分的质量。每个样品的质量为 2 克。 炼样品 熔炼采用中科院物科公司的 非自耗真空电弧炉，在高纯氩气保护下，水冷坩埚中进行。熔炼之前应先将电弧炉抽真空当达到 10范围后充入纯 抽真空，达到 10后又充入纯 使炉体 内外气压平衡，以保护试样不受氧化。熔炼时起弧电流和熔炼电流要尽可能地低，以减少样品（主要是 熔炼过程中挥发损失，但同时又要保证熔炼透样品。为达到合金的成分均匀，熔好一遍后需将样品翻转再熔，如此反复三到四次，使熔炼出的样品成分趋于均匀，样品表面平滑且有金属光泽。同时保证试样熔炼前后质量偏差 1%至偏差小于 1%。 匀化处理 将熔炼后的样品按顺序放置在瓷盘中，并用石棉将每个样品隔开，密封入石英管中，并将石英管抽成真空，然后放入放入退火炉中。依据已知的二元相图所提供的信息，选择适当的退火时间和退火温度。设置程序进行试样的均匀化处理。将样品于 600。 c 退火， 10 退火时间为 1 天。 火处理 为了保持高温时的组织，退火后的样品从退火炉中取出后，需将石英管迅速淬入冰水混合物中。 末试样的制备 对经过均匀化热处理后的块状合金试样，要用粗砂纸磨去表面的氧化层，然后在丙酮保护下，在玛瑙钵体中捣碎磨细成粒度不 大于 30 纳米的粉末。本体系的部分样品脆性比较大，很容易直接捣碎磨细。因此一般不会由于冷加工研磨而产生明显的内应力。可以直接进行 x 射线衍射分析。但对富 富稀土的合金样品由于其韧性和延展性好，难以用钵体研磨成粉末，需用细锉锉成粉末 8。 x 射线衍射 将制备好的样品粉末装入有凹槽的玻璃片上。用 500v x 射线粉末衍射仪进行数据收集，即可得到样品的 x 射线衍射图谱。 9衍射仪扫描条件为：管压 40流 200长为 80/描范围为 2： 20 序和粉末衍射数据库（ 析所得到的数据，确定各个样品的相组成。 学显微镜分析 将一小块合金试样镶嵌在电木粉内，并用砂纸将样品磨出一个平面，然后选用从粗到细不同型号的砂纸（ 400#砂纸），将样品的表面在金相粗磨机上磨平。最后用 清水洗净，吹干。把抛光后的样品用 1%用清水清洗干净并吹干。随后用德国 微镜拍摄金相照片，并选择适当的放大倍数。 振动样品磁强计 样品置于单一磁场中会被感应出磁矩。而将样品置于振动样品磁强计的拾取线圈中，作正弦振动时，由于通过样品的磁通量的变化，在检测线圈中便会感应出电压信号。该信号与磁矩成比例，所以振动样品磁强计可以用来测量材料的磁特性。磁场可以由电磁铁或超导磁体产生，所以磁矩和磁化强度可以作为磁场的参数来进行测量。 作为温度的参数，在低于常温时，可用超导磁体的 统或带有低温杜瓦的电磁铁的 统。高于常温时，可用带有加热炉的 统。因为选用铁磁材料时，主要决定于它们的磁化 强度和磁滞回线，所以 统的常用功能是测量铁磁材料的磁特 11 性 10。 图 2振动样品磁强计 热效应的测定 表征某一磁制冷材料的磁热性能的主要参量有磁有序化温度（对铁磁材料而言，称作居里点）及对应温度下的磁热效应（一般采用某一磁场变化下，该磁制冷材料的磁熵变 或绝热磁化温度变化 t）。磁熵变 热磁化温度 t 的测试计算原理在第一章已经谈到。磁热效应的测试方法可分为直接测试方法和间接测试方法 11。直接测试方法即直接测定试样的绝热磁化（退磁时 的温度变化）；间接测试方法又可分为两种： 1） 通过测定等温磁化曲线计算磁熵变； 2） 通过测定零场和加磁场下的比热。计算磁熵变和绝热温度变化。 里点的测定 居里点是磁制冷材料的重要参数，有必要进行测定。测定居里点常见的方法 ： 1） 比热法（ c t 曲线法） 2） 交流磁比率法（ x t 曲线法） 3） 直流恒场磁化法（ m t 曲线法） 比热法即测定 c t 曲线，然后从曲线上的峰值确定居里点。交流磁化率法及测定x t 曲线的峰值和突变确定居里点 曲线法即在恒定的低磁场（一般 200下测定试样的 曲线。从曲线的突 变确定居里点 12。 对比三种方法，比热法的准确性最好，且居里点最易确定。交流磁比率法略优于 曲线法。但是由于实验条件及为了测试方便起见。大多采用 曲线法来确定居里点。一般而言，当测定了恒定低场下的 曲线以后，居里点的确定有如下两种方法。比较正规的方法是：当 t在居里点附近，铁磁材料的自发磁化强度与温度 2 （单位为 k），有如下规律： m（ t） =b(1 t/（ 2 式中 b 为常数，由实验测 定的 m（ t）和 t 数据作 t） h/m 曲线 13。曲线的线性部分外推到 t） =有一种较为简单的方法是，直接将 曲线对 t 求导数，找出极值点对应的温度即居里点。 温磁化曲线测定及磁熵变的计算 等温磁化曲线是在 振动样品磁强计上测量的。 第一步，测定居里点。画出各试样在稳定外磁场下的 关系曲线。并将 曲线对 t 求导数，即可得出对应的 第二步，在居里点附近测定一系列等温磁化曲线。然后通过式（ 1计算磁熵 变。实际上，根据图 2用数值微分和积分的方法来简单计算磁熵变。具体如下：将（ 1离散化，可得到如下公式： 图 2熵变计算示意图 14 2m )( (2其中 ）表示磁制冷材料在温度2下的磁熵变 15。实际上指在 i+1 温度区间下的平均磁熵变。式中 分别指磁制冷材料在磁场强度为 件下， 温度下的磁化强度。而 是磁场强度的增量。 过测定磁比热温度曲线间接计算磁熵变和绝热温度变化 13 通过测定零场和加磁场下的比热温度曲线（如图 2间接计算磁熵变的绝热温度变化。分别测定零场与等磁场下（如 h=磁比热 线。同样的，实际上测试的也只是一系列离散的点。将（ 1离散化，可 改成如下数值积分的形式： 图 2曲线 定磁熵 16 s(t)|h=(111 11 (2这样就可以分别求出零场和加磁场下的温熵图（ 2： s（ t,h=0）及 s(t,h=17。 图 2据磁比热确定等温磁熵变和绝热温度变化示意图 18 根据零场和加磁场下的温熵图（ ），可以直接求出某一等温温度下，磁场从 h=0变化到 h=的磁熵变 9。 同样也可以求出在绝热磁化的条件下，磁场从 h=0 变化到 h=的绝热温度变化 3 实验结果与分析 分析 经 析表明，本系列样品均为 斜 结构，如图 3 14 图 32金 析 图 从图中可见 ： 引入 随着 (2 。 里温度 图 3 (2x 列合金 在外磁场强 度 2t 下的磁化强度随温度变化曲线， 即 线 。 图 3(2合物的 线 将 线对 t 求导数，找出极值点对应的温度 ， 即居里点 ，如 图 3示 ，(2x 列合金的居里温度分别为： (2c=92k； (210k； (230k； (2c=142k。 可以看出 ,随 量的增加 ,即 x 由 加到 种合金的居里温度 2k 逐渐增加为 142k， 并呈线性增加趋势 ,线与方程 得 直线基本重合， 见图 3所得结果与 线分析所得结果一致。 15 图 3 图 3熵变分析 在外加磁场为 2t 时， (2x 列合金的磁熵变随温度变化曲线 如图 3示，如图可见各曲线在居里温度处到达峰值，即合金在居里温度处磁熵变最大，其值分别 为： (2j/k）； (2j/k）； (2j/k） ， (2j/k） 。 图 32合物磁熵变 表 3举了部具有较大 磁热效应的 磁致冷材料的最大磁熵变值。对比可见，(2有较大 的磁熵变值，特别是 (2最大磁熵变达到了 k，说明此材料 磁热效应 适合用作高温区磁致冷材料。 表 3有代表性的磁制冷材料 磁制冷材料 居里温度 ) 外加磁化场 变化 (t) j/) 27 1 40 2 30 30 30 30 d 293 2 16 图 3 3本次实验所有合金材料的 与 。