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基于磁卡效应的磁制冷技术,由于其高效节能和绿色环保的特点,逐渐成为近年来磁学与磁性材料领域的一个研究热点。磁制冷技术发展的关键在于寻找出一系列工作在各个温度范围内的具有较大可逆磁卡效应的磁制冷工质。本文研究了一系列基于轻稀土元素的硅锗化物Re5(Si,Ge)3的磁性与磁卡效应,发现了几种基于二级相变的有较大磁卡效应的新型磁制冷材料。主要研究结果如下:RE5Si3(RE=Ce,Pr,Nd,Sm,Gd)系列化合物中,当稀土元素为Ce、Pr和Nd时,其晶体结构为Cr5B3型,而当稀土元素为Sm和Gd时,相应晶体结构为Mn5Si3型。除Gd5Si3在低温下为反铁磁性外,其他几种化合物在低温下均表现为铁磁性,并且这些化合物的磁有序温度和顺磁居里温度的变化规律与De Gennes定理符合较好。Pr5Si3、Nd5Si3和Sm5Si3三种化合物都有较大的磁晶各向异性,进而导致了它们在低温下的磁矩冻结,但在居里温度附近,它们都有较大且变化陡峭的磁化强度。Pr5Si3和NdsSi3材料分别在47K和112K附近有较大的磁卡效应,在50 kOe的磁场变化下,它们的最大磁熵变值分别为11.6,和5.0 J kg-1K-1,并且Nd5Si3的工作温度跨度达到了57 K,相对磁制冷能力达到285 J kg-1,显示出很好的磁制冷应用开发潜力。Pr5SixGe3-x(x=3.0,2.5,2.0,1.5,1.0,0)系列化合物中,随着Ge含量的提高,材料的晶体结构由铁磁性的四方CrsB3型向反铁磁性的六角Mn5Si3型转变,且在同种结构中晶格常数和磁有序温度随Ge含量的增加而增大。硅含量较高的化合物(x=2.5,2.0,1.5),随着其中Si含量的减少,在居里温度逐渐升高的同时,其磁晶各相异性也有所增大,并导致这些材料在居里温度附近的饱和磁矩下降;它们分别在53K、56K和56K附近较大范围内有比较可观的磁卡效应,在50 kOe的磁场变化下,最大磁熵变的值分别为9.3,7.7和6.5 J kg-1K-1,且相对磁制冷能力分别达到了213.9,184.8和169 J kg-1。这些结果表明对于Pr5Si3化合物,适量的Ge替代Si不仅可以调节其居里温度,也可以在保持较大磁熵变的基础上,大幅提高其磁制冷工作温度跨度,并进而提高相对磁制冷能力。
以往的磁制冷材料主要是由重稀土元素或3d过渡族元素形成的化合物,而本实验中发现的以纯轻稀土作为磁性元素的化合物所具有的较大的可逆磁卡效应,不仅表明它们有希望成为工作于各自温区内的新型的磁制冷材料,也对磁制冷工质的寻找提供了新的思路。