PrAlsub2_sub化合物磁熵变的研究.pdf

Applied Physics 应用物理应用物理,2024,14(4),142-148 Published Online April 2024 in Hans.https:/www.hanspub.org/journal/app https:/doi.org/10.12677/app.2024.144017 文章引用文章引用:夏承冉,时阳光.PrAl2化合物磁熵变的研究J.应用物理,2024,14(4):142-148.DOI:10.12677/app.2024.144017 PrAl2化合物磁化合物磁熵变熵变的研究的研究 夏承冉，时阳光夏承冉，时阳光 南京航空航天大学物理学院，江苏 南京 收稿日期：2024年3月1日；录用日期：2024年4月1日；发布日期：2024年4月7日 摘摘 要要 我们采用电弧熔炼和真空退火的方式制备了我们采用电弧熔炼和真空退火的方式制备了PrAl2合金，通过测量该合金的等温磁化曲线，对其相变类型合金，通过测量该合金的等温磁化曲线，对其相变类型和磁热效应展开了研究。根据和磁热效应展开了研究。根据Arrot曲线确定了曲线确定了PrAl2合金的相变属于二级相变。依据等温磁化曲线计算合金的相变属于二级相变。依据等温磁化曲线计算了合金的磁熵变，在相同磁场下，在居里温度附近达到最大值。在了合金的磁熵变，在相同磁场下，在居里温度附近达到最大值。在50 kOe磁场中，合金的磁熵变和磁场中，合金的磁熵变和制冷制冷能力能力分别为分别为14.61 J/kgK和和175.33 J/kg。表明了。表明了PrAl2作为磁性制冷剂有着潜在的应用前景。作为磁性制冷剂有着潜在的应用前景。关键词关键词 磁热效应，磁熵变，磁热效应，磁熵变，制冷能力制冷能力 A Study on the Magnetic Entropy Change of PrAl2 Compounds Chengran Xia,Yangguang Shi College of Physics,Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,Nanjing Jiangsu Received:Mar.1st,2024;accepted:Apr.1st,2024;published:Apr.7th,2024 Abstract PrAl2 alloy was prepared by arc melting and vacuum annealing,and its phase transition type and magnetocaloric effect were studied by measuring its isothermal magnetization curve.According to the Arrow curve,the phase transition of PrAl2 alloy belongs to the second order phase transition.The magnetic entropy change of the alloy was calculated based on the isothermal magnetization curve,and reached its maximum value near the Curie temperature under the same magnetic field.In a magnetic field of 50 kOe,the magnetic entropy change and the refrigerant capacity of the alloy are 14.61 J/kgK and 175.33 J/kg,respectively.This indicates that PrAl2 has potential application prospects as a magnetic refrigerant.夏承冉，时阳光 DOI:10.12677/app.2024.144017 143 应用物理 Keywords Magnetocaloric Effects,Magnetic Entropy Change,Refrigerant Capacity Copyright 2024 by author(s)and Hans Publishers Inc.This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License(CC BY 4.0).http:/creativecommons.org/licenses/by/4.0/1.引言引言 磁制冷是一种基于磁热效应的创新高效清洁装置新技术1。这种系统的最大优点是提高了设备效率，减少了二氧化碳的产生，节省了能源，并且使用一种固体的、不挥发的制冷剂，可以取代温室气体制冷剂2。因此，寻找具有巨大磁热效应特性的新型材料对科技进一步发展具有重要的意义。室温下稀土二铝化物以 MgCu2型立方 Laves 相晶体结构结晶，过去的几十年，对 RAl2(R=稀土)金属化合物的磁性性质经过了实验和理论的广泛研究3-8，已经观察到十分有意义的磁性行为，并且这类化合物具有巨大的磁热效应2 9 10，因此在磁制冷方面有着广泛的应用前景，有望成为新一代的智能材料。众所周知，与一级相变相比，二级相变具有宽温区、低滞后等优点，因此二级相变材料是较为理想的制冷材料11 12 13 14。之前对 RAl2化合物的研究表明，PrAl2在居里温度以下会经历立方到四方的晶格畸变15。因此在本文中，我们对 PrAl2化合物进行了磁性测量，来研究化合物的相变类型以及磁熵变。2.实验方法实验方法 多晶 PrAl2合金是在氩气气氛中通过电弧熔化适当的组成金属而成。Pr 成分纯度为 99.9%，Al 的纯度为 99.99%，由于稀土元素 Pr 在熔炼过程中易挥发，因此在配料过程中将 Pr 过量 5%以补偿熔炼过程中所造成的损失。将原料放置在氩气氛围的电弧熔炼炉中，为保证材料成分均匀，将样品反复熔炼 3 次以上。然后将熔炼后的锭子用钽箔包裹封闭在石英管中，在温度 900下退火 24 小时。将退火后的样品利用综合物性测量系统(PPMS)来测量 100 Oe 外磁场下样品磁化强度(M)和温度(T)之间的关系。随后测量降温过程中样品在零场冷(ZFC)模式下的一系列等温磁化曲线，测量的温度区间在 1046 K，磁场范围在 05 T。3.结果与讨论结果与讨论 图1给出了PrAl2化合物在100 Oe外加磁场下的磁化强度随温度变化的曲线，根据Curie-Weiss定律，在顺磁状态，化合物的磁化率满足 =C/(T Tc)，其中 C 为居里常数，Tc为居里温度。由此可以得到 PrAl2化合物的顺磁态到铁磁态转变温度为 33 K。图 2 是 PrAl2化合物不同温度下的等温磁化曲线，温度变化范围在 1046 K，其中在 1646 K 温度范围内，温度间隔为 1 K。从图中知道，在同一温度下，随着磁场的增加磁化强度不断增大。通过等温磁化曲线，计算得到了化合物的 Arrot 曲线，结果如图 3(a)所示。根据 Banerjee 判据，可以通过 Arrot 曲线的斜率来判断相变的类型：一级相变中曲线的斜率为负值；二级相变的曲线斜率为正值16 17。从图中可以知道 Arrot 曲线的斜率皆为正值，也就表明 PrAl2化合物相变类型为二级相变。根据 Landau 理论，材料的 Gibbs 自由能可以表示为：()()()()2460111,246G T MGA T MB T MC T MMH=+(1)Open AccessOpen Access夏承冉，时阳光 DOI:10.12677/app.2024.144017 144 应用物理 Figure 1.The temperature dependent DC magnetization of PrAl2 under an external magnetic field of 100 Oe.The illustration shows the curve of the compounds reverse magnetization with temperature,where the red line represents the result of linear fitting of the high-temperature part 图图 1.在 100 Oe 外磁场下的 PrAl2化合物的温度依赖性直流磁化强度，插图表示化合物的反转磁化率随温度变化的曲线，其中红线为对高温部分进行线性拟合的结果 Figure 2.Isothermal magnetization curve of PrAl2 compound 图图 2.PrAl2化合物的等温磁化曲线 夏承冉，时阳光 DOI:10.12677/app.2024.144017 145 应用物理 其中 A(T)、B(T)和 C(T)分别是与温度有关的系数。为了维持体系能量最小，即0GM=，可以得到：()()()35HA T MB T MC T M=+(2)因此 A(T)、B(T)和 C(T)可以通过 H 和 M 的多项式拟合来获得，其计算结果如图 3(b)所示。根据Inous-Shimizu 模型，A(T)为材料的反转磁化率，并且在居里温度时为最小值；B(T)决定材料的相变类型，在居里温度时，如果 B(T)为负值则为一级相变，如果为非负值则为二级相变18 19 20。从图 3(b)可以知道，在居里温度处，B(T)为正，表明 PrAl2的相变为二级相变。Figure 3.(a)Arrot curve of PrAl2 compound,(b)The fitted parameter A(T)and B(T)as a function of temperature of PrAl2 compound 图图 3.(a)PrAl2化合物的 Arrot 曲线，(b)PrAl2化合物的 A(T)和 B(T)随温度的变化关系 PrAl2化合物的磁熵变(S)作为温度和磁场的函数可以通过使用麦克斯韦关系从等温磁化曲线计算得到：0dHTMSHT=(3)在本文中我们主要利用分离磁场下温度与磁化强度的关系曲线来计算磁熵变，所以S 可以近似由以下方程得到21：()111iiitiiSMMHTT+=(4)根据等温磁化曲线和关系式(3)可以得到不同外加磁场下S 随温度变化的曲线，如图 4 所示。从图中可以得到，在 50 kOe 的磁场下，PrAl2的熵变值达到最大，为 14.61 J/kgK。除磁熵变以外，制冷能力(RC)也是磁热效应中的重要性质。制冷能力(RC)为：coldhotdTMTRCST=(5)式中 Thot和 Tcold分别是S=SM/2 时的温度。SM和 RC 随磁场的变化关系如图 5 所示，由图可以知道在 50 kOe 时，RC 值达到最大，为 175.33 J/kg，由此可以知道 PrAl2作为磁性制冷剂有着潜在的应用前景。夏承冉，时阳光 DOI:10.12677/app.2024.144017 146 应用物理 Figure 4.Temperature dependent changes in magnetic entropy of PrAl2 compounds at different magnetic fields 图图 4.PrAl2化合物在不同外加磁场下的磁熵变随温度的变化 Figure 5.(a)The relationship between maximum magnetic entropy change(SM)and(b)refrigeration capcity(RC)of PrAl2 compound and magnetic field 图图 5.PrAl2化合物的(a)最大磁熵变(SM)和(b)制冷能力(RC)与磁场的关系 夏承冉，时阳光 DOI:10.12677/app.2024.144017 147 应用物理 4.结论结论 本文通过电弧熔炼和真空退火的方法制备了 PrAl2合金，测量了合金的直流磁化强度和等温磁化曲线，并由磁化曲线得到了 Arrot 曲线。根据曲线的斜率得到了 PrAl2合金的形变类型为二级相变。通过等温磁化曲线计算得到的磁熵变，在 50 kOe 磁场下达到最大为 14.61 J/kgK，此时的制冷能力为 175.33 J/kg，表明了 PrAl2合金具有潜在的应用前景。基金项目基金项目 本研究受到了国家自然科学基金 No.11475086 项目的资助。参考文献参考文献 1 Tishin,A.M.and Spichkin,Y.I.(2014)Recent Progress in Magnetocaloric Effect:Mechanisms and Potential Applica-tions.International Journal of Refrigeration,37,223-229.https:/doi.org/10.1016/j.ijrefrig.2013.09.012 2 De Sousa,V.S.R.,Carvalho,A.M.G.,Plaza,E.J.R.,Alho,B.P.,Tedesco,J.C.G.,Coelho,A.A.and Von Ranke,P.J.(2011)Investigation on the Magnetocaloric Effect in(Gd,Pr)Al2 Solid Solutions.Journal of Magnetism and Magnetic Materials,323,794-798.https:/doi.org/10.1016/j.jmmm.2010.10.046 3 Llamazares,J.S.,Zamora,J.,Snchez-Valds,C.F.and lvarez-Alonso,P.(2020)Design and Fabrication of a 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