磁热效应的研究

(GdxDy1-x)12Co7磁热效应的研究

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X射线衍射和磁性能测量研究了(GdxDy1-x)12Co7（x＝0.3，0.5，0.7，0.8）系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Gd成分的增加，合金的居里温度从92K到142K呈线型增加。在外加磁场为2Td的情况下，(GdxDy1-x)12Co7（x＝0.3，0.5，0.7，0.8）系列合金的最大磁熵变为6.93 J/kg·K。

通过对合金的XRD图谱及M-H图与Arrott图分析，表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：(GdxDy1-x)12Co7 体系；磁熵变；磁热效应

Study of Magnetic Entropy Change In

(GdxDy1-x)12Co7 Compounds

Abstract : Magnetic refrigeration technology at the room temperature

has attacted more and moer people's attention due to its advantages involing in energy saving, environmental protection. To be key issue, magntic refrigeration material has

played an important role in the technology.

Firstly the article briefly introduces the basic principle, the development of magetic refrigerants. The phase structure and magntocaloric effect of the (GdxDy1-x)12Co7（x＝0.3，0.5，0.7，0.8）alloys were investigated by X-ray diffraction analysis and magnetization measurement. The samples are monoclinis with the increase of Gd content, Tc increase from 92K to 142K, and the maximum magnetic entropy change |ΔSM max| was 6.93 J/kg·K.under the low magnetic of 0-2T.X-ray ,M-H plots and Arrott plcts show the magnetic change from SOT to FOT.

Keywords : (GdxDy1-x)12Co7 system;Magnetocaloric Effect; Magnetic refrigeration

目录

引言.......................................................................................................................... .........1

一．磁制冷的基本概念 ..................................................................................................1

（一）磁热效应....................................................1

（二）进行简单的描述..............................................2

（三）中垂直的箭头................................................2

二．磁热效应的测量方法 ..............................................................................................3

（一）直接测量法..................................................3

（二）间接测量法............................................................................................................4

三．本文研究方案、主要研究内容、拟解决的关键问题及技术路线.....................4

（一）主要研究内容................................................4

（二）实验设计及试验方法..........................................5

（三）居里点的测定................................................6

（四）磁热效应的测定..............................................7

（五）通过测定磁比热温度曲线间接计算磁熵变和绝热温度变化..........7

四．实验结果与分析............................................................................................. ...... ...8

（一）相分析....................................................8

（二）居里温度..................................................8

（三）磁熵变分析................................................8

五．结论............................................................................................................................9

参考文献.......................................................................................................................................10

1 引言

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。

一．磁制冷的基本概念

（一）磁热效应

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。

１．磁制冷原理

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。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；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。 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。

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。