DyNi快淬條帶的轉(zhuǎn)動(dòng)磁熱效應(yīng)研究

陳燕珊戴戈王志康楊佳文陳睿王芳

（寧波工程學(xué)院 材料與化學(xué)工程學(xué)院，浙江 寧波 315211）

0 引言

磁熱效應(yīng)是材料的內(nèi)稟性能，對(duì)材料磁熱效應(yīng)的研究不但可以加深對(duì)磁性材料自發(fā)磁化和有序-無(wú)序相轉(zhuǎn)變等物理現(xiàn)象的理解，而且對(duì)磁制冷技術(shù)的開發(fā)有重要的意義。[1]國(guó)內(nèi)外大多數(shù)研究主要集中在由磁相變過(guò)程引起的巨大磁熱效應(yīng)（經(jīng)典磁熱效應(yīng)），而對(duì)自發(fā)磁化強(qiáng)度矢量轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中磁各向異性能的變化對(duì)磁熱效應(yīng)的貢獻(xiàn)（即轉(zhuǎn)動(dòng)磁熱效應(yīng)）研究尚不充分。與經(jīng)典磁熱效應(yīng)相比，轉(zhuǎn)動(dòng)磁熱效應(yīng)只需在恒定磁場(chǎng)下轉(zhuǎn)動(dòng)制冷工質(zhì)而不需要改變磁場(chǎng)或?qū)悠窂拇艌?chǎng)中移進(jìn)移出即可達(dá)到制冷目的，故利用材料的轉(zhuǎn)動(dòng)磁熱效應(yīng)，有望提供一種全新的、簡(jiǎn)易可行、體積小和低能耗的磁制冷技術(shù)方案。[2-5]

目前轉(zhuǎn)動(dòng)磁熱效應(yīng)研究主要集中于稀土基單晶合金如TbNiAl、ErFeO3、HoMn2O5、RNi5、NdCo5等。然而單晶樣品制備過(guò)程復(fù)雜、周期長(zhǎng)，高昂的制備成本限制了單晶樣品大規(guī)模商業(yè)化的可能。擇優(yōu)取向的高織構(gòu)多晶材料同樣具備大的各向異性，北京科技大學(xué)張虎等利用電弧熔煉樣品自然冷卻過(guò)程的溫度梯度成功制備了具有高織構(gòu)的DyNiSi多晶材料，并觀察到大轉(zhuǎn)動(dòng)磁熱效應(yīng)。[6]南京大學(xué)都有為院士研究小組通過(guò)磁場(chǎng)熱處理制備了高取向的NdCo4Al，并在室溫區(qū)獲得了較大轉(zhuǎn)動(dòng)磁熱效應(yīng)。[7]這些研究結(jié)果都表明只要制備條件控制得當(dāng)，多晶樣品織構(gòu)加強(qiáng)，則有可能在稀土基多晶合金中獲得較大轉(zhuǎn)動(dòng)磁熱效應(yīng)。

本研究依據(jù)前人的研究成果，選擇在制備強(qiáng)織構(gòu)結(jié)構(gòu)材料方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)、且在轉(zhuǎn)動(dòng)磁制冷多晶材料制備方面還鮮有報(bào)道的單輥熔體快淬法作為實(shí)驗(yàn)手段，制備有可能獲得高磁晶各向異性和大磁矩的稀土-過(guò)渡族金屬間化合物DyNi多晶條帶[8-9]，希望利用條帶自由面和貼輥面間的溫差來(lái)實(shí)現(xiàn)晶粒的擇優(yōu)生長(zhǎng)，并獲得強(qiáng)轉(zhuǎn)動(dòng)磁熱效應(yīng)，為推動(dòng)磁制冷樣機(jī)進(jìn)一步小型、高效、經(jīng)濟(jì)化提供一些基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

1 試驗(yàn)條件與方法

所用原材料純度大于99.9%，按1:1原子配比將Dy、Ni放入鎢極非自耗電弧爐中，在高純氬氣保護(hù)下，反復(fù)熔煉3次得到DyNi鑄錠。取熔煉好的鑄錠3～5 g，利用單輥熔體快淬法制備得到DyNi快淬條帶，帶速10 m/s。采用德國(guó)Bruker公司的D8 Advance X射線衍射儀檢測(cè)快淬樣品的晶體結(jié)構(gòu)與取向。所有磁性測(cè)量均在美國(guó)Quantum Design公司設(shè)計(jì)的PPMS DynaCool上完成。

2 結(jié)果和討論

2.1 結(jié)構(gòu)分析

圖1為DyNi快淬條帶及其粉末樣品的室溫X射線衍射譜圖。結(jié)果表明二者都呈單相的FeB型晶體結(jié)構(gòu)，空間群Pnma,No.62。DyNi快淬條帶樣品的某些衍射峰如(011)，(102)，(211)和(214)明顯強(qiáng)于其粉末樣品?？齑銞l帶制備過(guò)程中貼輥面與自由面間的大溫差導(dǎo)致晶粒沿厚度方向擇優(yōu)取向生長(zhǎng)，從而在DyNi快淬條帶中實(shí)現(xiàn)了高織構(gòu)結(jié)構(gòu)。

圖1 DyNi快淬條帶及其粉末樣品的室溫X射線衍射譜圖

2.2 磁性測(cè)量結(jié)果與討論

圖2為DyNi快淬條帶零場(chǎng)降溫模式下測(cè)量得到的熱磁曲線，外加磁場(chǎng)大小0.01 T，磁場(chǎng)方向沿著快淬條帶長(zhǎng)度方向。隨溫度降低在61 K附近觀察到一順磁-鐵磁相變，在相變溫度以下，磁化強(qiáng)度隨溫度降低不升反降。樣品在低外磁場(chǎng)作用下逐漸被磁化，磁矩轉(zhuǎn)向局域能量極小的方向，該方向由DyNi快淬條帶的各向異性性質(zhì)決定。由于織構(gòu)的存在，低溫下磁晶各向異性能強(qiáng)于熱擾動(dòng)能和磁交換作用能，磁矩沿易磁化軸方向排列。而低外磁場(chǎng)引起的附加塞曼能不足以克服磁晶各向異性能，使磁矩向外磁場(chǎng)方向一致轉(zhuǎn)動(dòng)，所以磁化強(qiáng)度隨溫度降低不升反降。

圖2 在0.01 T外磁場(chǎng)下DyNi快淬條帶的熱磁曲線

室溫X射線衍射譜圖（XRD）和低溫?zé)岽徘€均表明DyNi快淬多晶條帶中存在各向異性，有望在其中獲得較大轉(zhuǎn)動(dòng)磁熱效應(yīng)。圖3(a)和3(b)分別為外加磁場(chǎng)沿著條帶長(zhǎng)度方向和厚度方向測(cè)量得到的DyNi快淬條帶在不同溫度下的等溫磁化曲線，外磁場(chǎng)范圍為0～5 T，溫度步長(zhǎng)為5 K?？梢园l(fā)現(xiàn)DyNi快淬多晶條帶在兩個(gè)方向的等溫磁化曲線差別較大，存在明顯的磁各向異性。當(dāng)外磁場(chǎng)沿著條帶方向時(shí)，DyNi快淬多晶條帶的磁化強(qiáng)度更容易飽和且數(shù)值更大。在低溫高磁場(chǎng)下，等溫磁化曲線呈S形，表明樣品在高外磁場(chǎng)下發(fā)生了磁場(chǎng)誘導(dǎo)的磁相變。

圖3 外加磁場(chǎng)下DyNi快淬條帶等溫磁化曲線:(a)沿長(zhǎng)度方向;(b)沿厚度方向

圖4 DyNi條等溫磁熵變隨溫度變化曲線:(a)磁場(chǎng)沿長(zhǎng)度方向;(b)磁場(chǎng)沿厚度方向

DyNi快淬條帶的轉(zhuǎn)動(dòng)磁熵變由上述兩個(gè)方向的等溫磁熵變之差確定，結(jié)果如圖5所示。轉(zhuǎn)動(dòng)等溫磁熵變?cè)?2 K附近達(dá)到峰值，大小約3.31 J kg-1·K-1，半高寬ΔTFWHM為48.3 K。制冷效率RCP通常用來(lái)描述磁制冷工質(zhì)的制冷能力，定義其為，經(jīng)計(jì)算得到DyNi快淬條帶的轉(zhuǎn)動(dòng)磁制冷效率為160 J·kg-1，與許多磁制冷材料的經(jīng)典磁制冷效率相當(dāng)。

圖5 DyNi條轉(zhuǎn)動(dòng)等溫磁熵變隨溫度變化曲線

3 結(jié)論

利用單輥熔體快淬法成功制備了DyNi多晶合金快淬條帶，貼輥面與自由面的溫差誘導(dǎo)晶粒沿條帶厚度方向擇優(yōu)生長(zhǎng)。DyNi快淬條帶的磁性沿條帶長(zhǎng)度方向和厚度方向存在明顯各向異性。在5 T外磁場(chǎng)下，轉(zhuǎn)動(dòng)磁熵變峰值約為3.31 J·kg-1K-1，制冷效率160 J·kg-1，與許多材料的經(jīng)典磁制冷效率相當(dāng)。利用熔體快淬法可成功制備具有大各向異性的磁性多晶合金，并在多晶合金中獲得較大轉(zhuǎn)動(dòng)磁制冷效率。對(duì)研發(fā)低成本和高效率轉(zhuǎn)動(dòng)磁制冷工質(zhì)具有重要意義。