Влияние термических и механических воздействий на величину магнитокалорического эффекта в соединениях 3d- и 4f-металлов

• Автор: Карпенков, Дмитрий Юрьевич
• Шифр специальности: 01.04.11
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Тверь
• Количество страниц: 177 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. МАГНИТОКАЛОРИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ И МАГНИТОКАЛОРИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ

§ 1 Л. Магнитокалорический эффект и основы теории магнитного

охлаждения

§ 1.2. Расчет оптимальных конфигураций теплообменников и

рабочей частоты магнитного холодильника

§ 1.3. Кристаллическая структура и магнитные свойства

соединений ІІ2рЄі

§ 1.4. Магнитные свойства и магнитокалорический эффект

соединений ІІ(Ге,Ті)і
§ 1.5. Зонный метамагнетизм, магнитообъемный и магнитокалорический эффект соединений ІІСог
§ 1.6 Магнитные и магнитокалорические свойства
соединений ЬаРеіз_х8іх
§ 1.7. Магнитные свойства и магнитокалорический эффект соединений (Мп,Ре)5(8і,Ое)з
1.7.1. Мп50е3.х8іх
1.7.2. Мп5.хРех8із
1.7.3. Мп50ез-х8Ьх
1.7.4. Мп5.хГехСгЄз
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ПО ОБЗОРУ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
ИССЛЕДОВАНИЯ
ГЛАВА 2. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
§ 2.1. Синтез сплавов методом индукционной плавки
§ 2.2. Структурные исследования
§ 2.3. Измерение кривых намагничивания
§ 2.4. Методика получения быстрозакаленных лент
§ 2.5. Методика получения быстрозакаленных сплавов методом
вакуумного литья
§ 2.6. Методика измерения эффекта Зеебека
§ 2.7. Методика измерения теплопроводности
§ 2.8. Измерение транспортных свойств
§ 2.9. Термомагнитный анализ
§ 2.10. Методика измерения МКЭ
2.10.1. Установка для измерения МКЭ прямым методом

2.10.2. Методика оценки пригодности магнитокалорического материала и оценки влияния фактора размагничивания
на величину МКЭ
§ 2.11. Методика измерения магнитострикции и терморасширения
ГЛАВА 3. МАГНИТОКАЛОРИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ МИКРО- И НАНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ОБРАЗЦОВ СОЕДИНЕНИЙ 3d- И
4ГМЕТАЛЛОВ
§ 3.1. Влияние быстрой закалки назначение магнитокалорического эффекта соединений 3d- и 4Р-металлов
3.1.1. Магнитокалорический эффект в микро- и нанокристаллических образцах соединений R(Fe,Ti)i
3.1.2. Магнитокалорический эффект в микро- и нанокристаллических образцах соединения Y2Fei
3.1.3. Магнитокалорический эффект нанокомпозитов на основе бинарных сплавов Y-Fe
3.1.4. Магнитокалорический эффект литых и быстрозакаленных образцов соединений RCo
3.1.5. Магнитокалорический эффект быстрозакаленных образцов соединений Mn5.xFexGe3 (х=0,1)
§ 3.2. Влияние холодной прокатки на значение магнитокалорического
эффекта в гадолинии
ГЛАВА 4. МАГНИТОКАЛОРИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ И ТРАНСПОРТНЫЕ СВОЙСТВА ЛИТЫХ ОБРАЗЦОВ И ПОЛИМЕРНОСВЯЗАННЫХ
ПОРОШКОВ СОЕДИНЕНИЙ La(Fe,Co,Mn,Si)13 И ИХ ГИДРИДОВ
§ 4.1. Магнитокалорический эффект компактированных в полимерном
связующем порошков соединений La(Fe,Mn,Si)i3 и их гидридов
§ 4.2. Транспортные свойства соединений R2Fen и La(Fe,Co,Si)i3.
4.2.1. Транспортные свойства монокристаллов R2Fen, R=Gd, Tb
4.2.2. Транспортные свойства и эффект Зеебека соединений системы La(Fei-xCox)Siy
4.2.2.1. Исследование эффекта Холла
4.2.2.2. Исследование теплопроводности, электросопротивления, коэффициента Зеебека и термоэлектрической добротности
4.2.2.3. Численное моделирование работы термоэлектрических холодильников на основе соединений системы La(Fei.xCox)Siy
ВЫВОДЫ
СПИСОК ЦИТИРУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

ВВЕДЕНИЕ
Презентация первого магнитного рефрижератора, работающего при температурах близких к комнатной [1], вызвала настоящий взрыв научных исследований в области магнитных материалов и технологий магнитного охлаждения. Некоторые научно-исследовательские институты, расположенные по всему миру, в последние несколько лет открыли новые или улучшенные магнитные материалы, пригодные для использования в качестве рабочего тела в системах магнитного охлаждения, работающих при комнатной температуре [2,3], в то время как другие успешно продемонстрировали работу самих магнитных холодильников [4]. Таким образом, магнитное охлаждение - это перспективная технология, которая может соперничать с широко распространенной технологией парокомпрессорных холодильников, по крайней мере, в определенных приложениях или нишах рынка. Данная технология имеет ряд преимуществ по сравнению с обычной холодильной техникой [5-7], таких как более высокая эффективность и отсутствие отрицательного воздействия на окружающую среду.
Магнитное охлаждение основано на магнитокалорическом эффекте (МКЭ) магнитных материалов. В случае ферромагнитных материалов, МКЭ проявляется в изменении температуры магнитного материала при его намагничивании или размагничивании во внешнем магнитном поле в адиабатических условиях. Эффективность использования
магнитокалорического материала зависит от величины приложенного магнитного поля и является достаточно небольшой (для наиболее широко используемого материала вс! МКЭ в низких полях составляет около 3 К/Т, в то время как в высоких полях снижается до 2,2 К/Т [8]), что ведет к ограничению разницы температур, достигаемой в одноступенчатых магнитных холодильниках. Еще одно препятствие заключается в том, что магнитные материалы являются твердыми телами и не могут в качестве хладагентов подобно хладагентам в классических системах газокомпрессорного охлаждения прокачиваться через цикл. В целях устранения этих барьеров применяются принцип регенерации или каскадной системы и принцип внешней прокачки теплопроводящей жидкости.
Магнитные холодильники прошли долгий путь развития: от ранних поршневых аппаратов со сверхпроводящими магнитами, охлаждаемыми жидким гелием [1] до используемых сегодня роторных машин,

наблюдаемого на соединении в ЬаРец^Зц^ вблизи Тс - большое отрицательное изменение решетки.
В работе [75] установлено, что параметры решетки могут быть изменены в процессе приложения внешнего давления или путем замещения или внедрения легирующих элементов. Заменяя некоторые атомы Ре другими магнитными переходными металлами можно без существенной потери величины магнитного момента добиться повышения температуры магнитного упорядочения. Соединения Ьа(Ре,Со)1з_хА1х и Ьа(Ре,Со)13.х81х с
1,1 обладают высокими значениями магнитокалорического эффекта при температурах вблизи комнатных.
100 125 150 175 200 225 160 200 240
Т(К) Т(К)
Рисунок 1.16. а) Температурные зависимости изменения энтропии AS для: а)
соединения La(Fei.xCox)ii,9Sii;i и б) La(Fei.xMnx)n,7Sii,3 при АН=20 и 50 кЭ,
соответственно. Температурные зависимости в) параметра решетки а и г) изменения
энтропии AS при fioAH=50 кЭ для соединений LaFei3.xSix

ш" 1.150 1.
LaFe,3-*Si*

1
1.2 1.8 2.
Концентрация Si * x»1Jt —о— **1.3 —о—*»1.7 х»1.4 • ■ х«1.
—о—х»2.
240 280

—» 1 1 1 1 '-------------------1
La(Fe1.xMn,)11JSI1J 001 х=
Авторами [74] было показано, что наилучший эффект можно получить замещая атомы железа кобальтом. При температуре 242 К Ж для соединения ЬаРеюдзСоодгЗц^ составляет 11,5 Дж/(кг К) во внешнем магнитном поле 5 Тл. В процессе дальнейших исследований авторами [76] было установлено,