磁性材料磁热效应的研究

1、文章编号:1001-9731(200101-0032-02磁性材料磁热效应的研究高小玫,周寿增,张茂才,高学绪,王润(北京科技大学新金属国家重点实验室,材料科学与工程学院,北京100083摘要:设计组装了一种冰量热计法磁致热效应测量仪,它可用于测量工频交变场下铁磁样品磁致热的绝对量。从磁热测量的结果,得到了一些单一铁磁样品和磁-良导体复合样品的磁致热效应实验规律。关键词:磁热效应;磁热功率;磁热测量中图分类号:TM27文献标识码:A1引言物质存在两类磁热效应。第一类是物质原子磁矩有序与无序转变过程的磁热效应,称磁卡效应1。第二类是铁磁性或亚铁磁性材料在交变磁场中磁化引起的磁致热效应,通常称磁损

2、耗。它包括磁滞损耗P h ,涡流损耗P e 和反常损耗P c 。在低频低磁场下,以P h 和P e 为主,P c 很小2。磁卡效应已用于获得低温3。对于软磁材料来说要求磁损耗越小越好。自80年代初以来已提出4,5将磁性材料的磁致热效应用于高压输电线防覆冰,为此要求其有大的磁致热效应。高压输电线在结冰气候条件下,覆冰可达1519kg/m ,引起倒杆、断线的断电事故,造成巨大经济损失。我国是高压线覆冰灾害严重的国家之一。利用低居里点(020磁性材料的磁致热效应是高压线防覆冰的有效方法之一。如何测定磁性材料的磁致热效应,如何提高磁致热功率是迄今未解决的问题。本文设计组装了测量磁致热效应的测量仪,测量

3、了若干种磁性材料在工频交变磁场下的磁致热功率,探讨了提高磁致热效应的途径。2实验方法2.1磁致热效应测量仪与方法磁致热效应测量仪的原理示于图1(a 。它由螺线管、杜瓦瓶、冰量热计等组成。冰量热计的结构示于图1(b 。 图1磁致热功率测量仪组成(a 和冰量热计(b Fig 1Schematic representation of magneto -calorific measurement(a and ice calorirneter (b 实验前将冰量热计和冰块一同放入杜瓦瓶内,然后将液氮倒入冰量热计内管,使其外壁形成冰层。将样品放入内管,并用隔热板封严杜瓦瓶,防止与外界热交换。接通螺线管50

4、Hz 电源,通过变压器调节电流和磁场强度。样品在交变磁场中产生磁致热效应,使冰量热计内的冰层融化,体积收缩,刻度管水银液面下降。冰融化为水时,单位体积吸收的热量为3667.4J/cm 3。观测刻度管水银面的变化率l /t (cm/s ,可得材料单位质量的磁致热功率为:P H =3667.4d 24w 0lt×103(W/kg d 是冰量热计刻度管的内径,w 0是样品的质量。每只样品重复测量23次,取其平均值作为实验结果。2.2样品样品长度为80mm ,保证它处于螺线管磁场的均匀区。样品有柱状、片状和管状,管状样品由薄片状样品卷成。用振动样品磁强计(VSM 测量样品在不同磁场下的磁感应

5、强度B H (T 和磁滞回线,根据磁滞回线面积计算其磁滞功率P h 。用排水法在酒精中测定样品密度d m ,双电桥法测量样品的电阻率m 。对部分样品测量其单一材料状态磁致热功率后,在其外层覆铝制成复合材料。其中FP 和WH 样品用热沉积法覆铝,铝层厚约100m ,F G 和3#样品用气相离子法覆铝,铝层厚约15m 。3实验结果与讨论样品的尺寸、B H 、m 和d m 等参量列于表1。表1样品尺寸形状、磁感应强度B H 、电阻率m 和密度d mT able 1S ize ,shape ,resistivity m ,density d m of samples and the mag 2neti

6、zation B H of samples at various fields H样品形状与尺寸mmB 2.4TB 4.8T B 6.4T P m ×10-8m d mkg/m 3FG 管×(2.0-1.82×808500SFN片0.33×7×809300单一与复合材料在不同交变场下的磁致热功率P H 和磁滞热功率P h 列于表2。可见,对于单一材料所有样品的P H 值和P h 值均随B H 的增加而增加。FG 单一材料的B H 由1.65T 增加到1.86T 时,其P H 由16W/kg 增加到28W/kg 。可见当磁场由2.4kA/m 增加

7、到6.4kA/m 时,其磁感仅增加12.7%,而磁致热功基金来源:国家自然科学基金资助项目收稿日期:1999-09-09率却增加了75%。FP 单一材料在6.4kA/m 磁场下,其B 6.4=1.72T ,P H 高达30W/kg ;而WH 单一材料在6.4kA/m 磁场下,其B 6.4=0.52T ,P H 仅有4.3W/kg 。FP 的B 6.4比WH 的高3倍,而P 6.4比WH 的高7倍。说明提高材料的磁感应强度对提高材料的磁致热功率有重要的作用。表2样品磁致热功率P H 和磁滞热功率P h 的实验结果Table 2The experimental results of magneto

8、 -calorific power P Hand hysteresis calorific power P h样品状态复铝厚mH =2.4kA/m H =4.8kA/m H =6.4kA/m P HP hP HP hP HP hFG ,管单一材料复合材料15262523272831FP ,片单一复合100FS ,柱单一173662I J50,片单一202429WH ,柱单一335在工频磁场下磁致热功率由磁滞热功率和涡流热功率贡献。对于高磁感和低电阻率材料,例如FP 单一材料,磁滞热功率约占磁致热功率的28%43%,涡流热功率约占57%72%。对于低磁感且较高电阻率材料,例如WH 单一材料,其磁

9、致热功率几乎全部由磁滞热功率贡献,涡流热功率很小。这是因为WH 单一材料的电阻率m 比FP 的高约一个数量级。 又例如3#单一材料的m 为9×106m ,接近绝缘体,它的涡流热功率几乎对磁致热功率没有贡献。复合材料比相应的单一材料的磁致热功率大大地提高。FP 复合材料的P H 比其单一材料提高约46%70%,比F G 提高11%56%,比WH 提高36倍,比3#材料提高24倍。在6.4kA/m 磁场下,F G 和FP 复合材料的P H 分别达到31和51W/kg 。单纯从磁致热功率的角度看,它已可满足高压线防覆冰的要求了。良导体复合层可大大提高样品磁致热功率的原因,主要是良导体复层内

10、产生了二次涡流热功率。4结论提高材料的磁致热功率的主要途径有:(1尽可能地提高材料在工作场下的磁感应强度;(2尽可能选择电阻率低的材料,以便提高材料自身的涡流热功率;(3在线材或管材外复合一层良导体,做成磁性材料与良导体的复合材料。良导体复合层不需要很厚。若不考虑其它因素(如强度、钝化等,良导体层厚度有15m 便可。参考文献1戴道生,钱昆明,编.铁磁学(上册M .北京:科学出版社,1992,1082宛德福,罗世华,编.磁性物理M .北京:电子工业出版社,1987,2763Fgiauque W ,MacDougall D P.J .Phys Rev ,1933,43:7684Fujikura L

11、imited.Magnetic Wire P .G B ,U K Patent Application ,2126409A ,21,Mar 19845住友工业株式会社,难着冰雪用部品.J .J P ,公开特许公报(A ,昭59144314,昭和59年(1984年8月18日高小玫女,1961年生。博士,高级工程师,现在上海钢铁研究所研究中心工作。师从北京科技大学王润、周寿增教授。硕士论文(19831986是关于NdFeB 永磁的研究,内容涉及烧结NdFeB 的热处理及合金元素对永磁的矫顽力及其温度特性的影响。在上海钢铁研究所负责完成了“彩管用电真空材料的表面研究”(冶金部课题及“有序金属间化合物

12、Fe 3Al 研究”(上海市青年科学基金项目等课题。博士论文工作是有关低居里温度(T c 功能材料和磁热效应原理的研究,就几种低T c 磁性材料的T c 与组织结构的关系进行了研究,对磁电复合磁热线的磁热功率进行了理论分析和计算公式推导。Measurements of Magnetocalorif ic Pow er for Magnetic MaterialsG AO Xiaomei ,ZHOU Shouzeng ,ZHAN G Maocai ,G AO Xuexu ,WAN G Run(University of Science and Technology Beijing ,Beijin

13、g ,100083,China Abstract :A magneto -calorific effect measurement with ice calorimeter method is desi gned and made up.It can be used for measuring the absolute value of magneto -calorific of ferromagnetic materials under industry frequency alternating magnetic field.S ome experimental regu 2larities of magneto -calorific effec