磁熱效應(yīng)演示裝置的設(shè)計(jì)與制作

范文迪，黨栩鵬，特古斯，歐志強(qiáng)，楊 帆，李承樞

(內(nèi)蒙古師范大學(xué) 物理與電子信息學(xué)院,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010022)

1 引 言

磁制冷是以磁性材料為工質(zhì)，借助其磁熱效應(yīng)(Magnetocaloric effect, MCE)來實(shí)現(xiàn)制冷. 1933年人們已實(shí)現(xiàn)了低溫(<1 K)磁制冷技術(shù)[1]，但室溫磁制冷還沒有得到應(yīng)用. 由于磁制冷的節(jié)能高效和綠色環(huán)保性，室溫磁制冷材料與產(chǎn)品的研究越來越受到人們的關(guān)注.

磁熱效應(yīng)是指磁制冷工質(zhì)在等溫磁化時(shí)向外界放出熱量或絕熱退磁時(shí)從外界吸收熱量的現(xiàn)象. 等溫磁熵變和絕熱溫變是衡量磁制冷材料磁熱效應(yīng)能力的重要參量[2]. 目前磁熱效應(yīng)的測量方法主要有3種：磁化強(qiáng)度測量法、比熱容測量法和直接測量法. 磁化強(qiáng)度測量法是通過測量一系列等溫磁化曲線，再根據(jù)磁麥克斯韋關(guān)系計(jì)算，得到等溫磁熵變. 這種方法因測量簡便、快速而被廣泛采用，但因?yàn)槭且环N間接測量方法，誤差比較大. 比熱容測量法是在不同磁場(含零磁場)下分別測量材料升溫比熱，再通過計(jì)算得到不同磁場下的熵-溫曲線，從而確定磁熵變和絕熱溫變. 這種方法由于對比熱的測量精度、溫度和磁場強(qiáng)控制的精度要求較高，故很少采用. 直接測量法是測量材料在絕熱磁化和退磁過程中的溫度變化. 這種方法所用設(shè)備簡單、易于操作、測量成本低[2-3]. 本文根據(jù)磁熱效應(yīng)原理，設(shè)計(jì)制作了磁熱效應(yīng)演示裝置，該裝置比較直觀地顯示磁制冷工質(zhì)的磁熱效應(yīng).

2 磁熱效應(yīng)演示裝置的工作原理及設(shè)計(jì)思想

磁性材料是由具有磁矩和熱運(yùn)動(dòng)的原子或磁性離子組成的結(jié)晶. 當(dāng)不加外磁場時(shí)，磁制冷材料的磁矩隨機(jī)取向，此時(shí)的熵較大. 當(dāng)材料被磁化時(shí)，磁矩方向沿磁場方向取向，在絕熱條件下，自旋有序度增加，磁熵降低，磁熱材料自身溫度升高. 退磁時(shí)，由于原子或離子的熱運(yùn)動(dòng)，磁矩?zé)o序排列，在絕熱條件下，磁熵增加，磁熱材料自身溫度降低. 磁熱效應(yīng)演示裝置就是通過控制磁熱材料進(jìn)出磁場，達(dá)到對材料磁化和退磁的效果，從而改變磁熱材料自身溫度.

以往的磁熱效應(yīng)測量裝置的測量全程都需要人為控制并且記錄溫度，花費(fèi)測試人員大量時(shí)間和精力,在操作過程中容易產(chǎn)生較大誤差. 本文中的磁熱效應(yīng)演示裝置，通過軟件和硬件相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了測量的自動(dòng)化，即根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求，設(shè)定好參量后可以自行完成測量，無需人員看守. 通過軟件控制，溫度傳感器每30 ms收集1次數(shù)據(jù)，可以提高測量精度，最大限度捕捉溫變最大值. 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及圖像可實(shí)時(shí)顯示在電腦屏上，直觀地展示磁性材料的磁熱效應(yīng). 經(jīng)過測試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果可重復(fù)性高，數(shù)據(jù)可靠.

根據(jù)磁熱效應(yīng)原理，以Mn1.28Fe0.67P0.48Si0.54磁熱材料為測試樣品，在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中，樣品處在緩慢升溫的環(huán)境. 測量步驟設(shè)計(jì)如下：第一步，樣品在磁場中等待樣品溫度與環(huán)境溫度一致，當(dāng)相等時(shí)，樣品被拉出磁場退磁，測出退磁時(shí)的絕熱溫變?chǔ)ad并記錄. 第二步，記錄完成后再將樣品推進(jìn)磁場. 當(dāng)以上步驟完成時(shí)，開始重復(fù)第一步，下一循環(huán)開始，如此反復(fù)至實(shí)驗(yàn)結(jié)束.

3 磁熱效應(yīng)演示儀的結(jié)構(gòu)與功能

磁熱效應(yīng)測量儀由硬件部分和軟件部分組成. 如圖1所示，硬件部分由4部分組成.

圖1 演示儀示意圖

1)磁場系統(tǒng). 使用Nd-Fe-B磁體組裝的強(qiáng)磁場(磁場方向垂直于紙面)，對樣品進(jìn)行磁化. 磁體中間有正方形孔洞，孔徑尺寸為20 mm×20 mm，最強(qiáng)磁感應(yīng)強(qiáng)度為1.2 T.

2)傳動(dòng)部分. 置于磁場的正上方，使樣品可以自由進(jìn)出磁場，實(shí)現(xiàn)對樣品的磁化/去磁. 使用的電動(dòng)機(jī)是直線執(zhí)行電機(jī)，最大負(fù)載為6 000 N，避免了磁場對樣品產(chǎn)生吸引導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)無法進(jìn)行的情況. 直線執(zhí)行電動(dòng)機(jī)加裝了繼電器并連接在下位機(jī)上，實(shí)現(xiàn)了傳動(dòng)部分與電腦的聯(lián)機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)由電腦程序直接控制樣品進(jìn)出磁場.

3)絕熱部分(樣品室). 由PVC塑料管與傳動(dòng)部分連接，其內(nèi)放置樣品. 良好的絕熱效果可以減少環(huán)境與樣品之間的熱交換，提高測量的精度，最大限度地減少測量過程中環(huán)境溫度對測試結(jié)果產(chǎn)生影響. 為了達(dá)到更好的絕熱效果，采用了多重保溫的方法. 因?yàn)閴毫?、表面粗糙度、材質(zhì)、表面填充物都會(huì)對導(dǎo)熱產(chǎn)生影響[4-5]，所以對樣品和與樣品接觸的溫度傳感器做了如下處理：首先對樣品表面進(jìn)行打磨、拋光，提高表面的光潔度. 使用導(dǎo)熱系數(shù)為1.2 W/(m·K)的導(dǎo)熱硅膠將傳感器與樣品粘接，再用泡沫做成的保護(hù)套進(jìn)行包裹和擠壓，在保證隔熱的同時(shí)，也使溫度傳感器與樣品的接觸壓力增大，提高熱導(dǎo)率. 最后用生料帶對整個(gè)泡沫部分進(jìn)行包覆，保證樣品與傳動(dòng)裝置的穩(wěn)固連接.

4)溫度測量部分. 考慮到樣品質(zhì)量相對較小，實(shí)驗(yàn)過程中溫度傳感器的溫度會(huì)對實(shí)驗(yàn)結(jié)果有所影響，所以選用了體積小(3 mm×2.5 mm×1 mm)、響應(yīng)靈敏的Pt100溫度傳感器，靈敏度為0.1 K.

軟件部分實(shí)現(xiàn)了測量過程全程自動(dòng)控制，可以對樣品溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測，從而能夠進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理和曲線繪制. 程序使用C語言在keil環(huán)境下編輯完成，下載到微處理器中，通過微處理器進(jìn)行自動(dòng)控制. 每次測試程序開始時(shí)，傳動(dòng)部分都會(huì)復(fù)位，樣品桿延伸至最長，將樣品置于磁場磁化. 當(dāng)樣品溫度在一段時(shí)間內(nèi)溫度變化不超出0.1 K時(shí)，溫度傳感器會(huì)記錄此時(shí)的溫度并與100 ms后測得的值進(jìn)行比對：如果溫差在允許范圍內(nèi)，則將樣品桿提升，磁熱材料退磁；如果100 ms后的二者溫度變化浮動(dòng)超出允許值，說明溫度并未趨于穩(wěn)定，程序繼續(xù)執(zhí)行上一步驟，直至樣品溫度在100 ms內(nèi)溫差小于允許范圍. 當(dāng)樣品桿開始退出磁場時(shí)，電腦開始實(shí)時(shí)監(jiān)測退磁溫變(ΔTad)數(shù)據(jù)，由于磁熱效應(yīng)溫度變化發(fā)生的時(shí)間非常短，反復(fù)測試后將程序設(shè)置為每間隔30 ms將測得的樣品溫度返回至計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算. 樣品被拉出磁場并在磁場外等待一段時(shí)間，通過比較退磁前后的溫度差，得到的最大溫差即為磁熱材料的退磁溫變?chǔ)ad. 隨著環(huán)境溫度緩慢地上升便可測出升溫的絕熱退磁溫變?chǔ)ad-T曲線.

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

圖2是使用磁熱效應(yīng)測量裝置測量磁熱材料Gd和Mn1.28Fe0.67P0.48Si0.54得到的磁場變化為1.2 T下的磁熱效應(yīng)ΔTad-T曲線. 金屬Gd的最大磁熱效應(yīng)值為2.9 K(在294 K). 高純度金屬Gd的居里溫度是293 K,在較高的永磁場(1.3～2 T的磁場強(qiáng)度)下絕熱溫變值是3.6 K[2]. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與文獻(xiàn)值相比較可知，該演示裝置測量結(jié)果基本準(zhǔn)確. 由于樣品室沒有做到完全絕熱,又樣品Gd的純度不同，使得測量結(jié)果有些偏差. Mn1.28Fe0.67P0.48Si0.54樣品的最大磁熱效應(yīng)值為0.9 K左右.

圖2 用該測量儀測得金屬Gd和Mn-Fe-P-Si 樣品的磁熱效應(yīng)曲線

2組樣品初始的幾個(gè)數(shù)據(jù)都有一定的浮動(dòng)，這是環(huán)境溫度對樣品產(chǎn)生影響引起的. 當(dāng)環(huán)境溫度與樣品溫度趨于一致后，可以得到明顯的ΔTad-T曲線. 由Mn1.28Fe0.67P0.48Si0.54樣品的磁熱效應(yīng)隨溫度變化的ΔTad-T曲線可知實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)有些浮動(dòng)，這可能是由于Mn1.28Fe0.67P0.48Si0.54材料比較脆且易碎，以致影響熱導(dǎo)性而造成的. 另外，由于Mn1.28Fe0.67P0.48Si0.54屬于一級相變材料，存在較大熱滯(～5 K)，也影響了實(shí)驗(yàn)結(jié)果.

5 結(jié)束語

磁熱效應(yīng)測量儀所得實(shí)驗(yàn)結(jié)果重復(fù)性好，測量過程時(shí)間短，實(shí)現(xiàn)了測量過程全程自動(dòng)化，儀器的維護(hù)和使用也十分簡單，用于研究材料的室溫磁熱效應(yīng)是可行的.

參考文獻(xiàn)：

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