DyNi快淬条带的转动磁热效应研究

陈燕珊戴戈王志康杨佳文陈睿王芳

（宁波工程学院 材料与化学工程学院，浙江 宁波 315211）

0 引言

磁热效应是材料的内禀性能，对材料磁热效应的研究不但可以加深对磁性材料自发磁化和有序-无序相转变等物理现象的理解，而且对磁制冷技术的开发有重要的意义。[1]国内外大多数研究主要集中在由磁相变过程引起的巨大磁热效应（经典磁热效应），而对自发磁化强度矢量转动过程中磁各向异性能的变化对磁热效应的贡献（即转动磁热效应）研究尚不充分。与经典磁热效应相比，转动磁热效应只需在恒定磁场下转动制冷工质而不需要改变磁场或将样品从磁场中移进移出即可达到制冷目的，故利用材料的转动磁热效应，有望提供一种全新的、简易可行、体积小和低能耗的磁制冷技术方案。[2-5]

目前转动磁热效应研究主要集中于稀土基单晶合金如TbNiAl、ErFeO3、HoMn2O5、RNi5、NdCo5等。然而单晶样品制备过程复杂、周期长，高昂的制备成本限制了单晶样品大规模商业化的可能。择优取向的高织构多晶材料同样具备大的各向异性，北京科技大学张虎等利用电弧熔炼样品自然冷却过程的温度梯度成功制备了具有高织构的DyNiSi多晶材料，并观察到大转动磁热效应。[6]南京大学都有为院士研究小组通过磁场热处理制备了高取向的NdCo4Al，并在室温区获得了较大转动磁热效应。[7]这些研究结果都表明只要制备条件控制得当，多晶样品织构加强，则有可能在稀土基多晶合金中获得较大转动磁热效应。

本研究依据前人的研究成果，选择在制备强织构结构材料方面具有独特优势、且在转动磁制冷多晶材料制备方面还鲜有报道的单辊熔体快淬法作为实验手段，制备有可能获得高磁晶各向异性和大磁矩的稀土-过渡族金属间化合物DyNi多晶条带[8-9]，希望利用条带自由面和贴辊面间的温差来实现晶粒的择优生长，并获得强转动磁热效应，为推动磁制冷样机进一步小型、高效、经济化提供一些基础实验数据。

1 试验条件与方法

所用原材料纯度大于99.9%，按1:1原子配比将Dy、Ni放入钨极非自耗电弧炉中，在高纯氩气保护下，反复熔炼3次得到DyNi铸锭。取熔炼好的铸锭3～5 g，利用单辊熔体快淬法制备得到DyNi快淬条带，带速10 m/s。采用德国Bruker公司的D8 Advance X射线衍射仪检测快淬样品的晶体结构与取向。所有磁性测量均在美国Quantum Design公司设计的PPMS DynaCool上完成。

2 结果和讨论

2.1 结构分析

图1为DyNi快淬条带及其粉末样品的室温X射线衍射谱图。结果表明二者都呈单相的FeB型晶体结构，空间群Pnma,No.62。DyNi快淬条带样品的某些衍射峰如(011)，(102)，(211)和(214)明显强于其粉末样品。快淬条带制备过程中贴辊面与自由面间的大温差导致晶粒沿厚度方向择优取向生长，从而在DyNi快淬条带中实现了高织构结构。

图1 DyNi快淬条带及其粉末样品的室温X射线衍射谱图

2.2 磁性测量结果与讨论

图2为DyNi快淬条带零场降温模式下测量得到的热磁曲线，外加磁场大小0.01 T，磁场方向沿着快淬条带长度方向。随温度降低在61 K附近观察到一顺磁-铁磁相变，在相变温度以下，磁化强度随温度降低不升反降。样品在低外磁场作用下逐渐被磁化，磁矩转向局域能量极小的方向，该方向由DyNi快淬条带的各向异性性质决定。由于织构的存在，低温下磁晶各向异性能强于热扰动能和磁交换作用能，磁矩沿易磁化轴方向排列。而低外磁场引起的附加塞曼能不足以克服磁晶各向异性能，使磁矩向外磁场方向一致转动，所以磁化强度随温度降低不升反降。

图2 在0.01 T外磁场下DyNi快淬条带的热磁曲线

室温X射线衍射谱图（XRD）和低温热磁曲线均表明DyNi快淬多晶条带中存在各向异性，有望在其中获得较大转动磁热效应。图3(a)和3(b)分别为外加磁场沿着条带长度方向和厚度方向测量得到的DyNi快淬条带在不同温度下的等温磁化曲线，外磁场范围为0～5 T，温度步长为5 K。可以发现DyNi快淬多晶条带在两个方向的等温磁化曲线差别较大，存在明显的磁各向异性。当外磁场沿着条带方向时，DyNi快淬多晶条带的磁化强度更容易饱和且数值更大。在低温高磁场下，等温磁化曲线呈S形，表明样品在高外磁场下发生了磁场诱导的磁相变。

图3 外加磁场下DyNi快淬条带等温磁化曲线:(a)沿长度方向;(b)沿厚度方向

图4 DyNi条等温磁熵变随温度变化曲线:(a)磁场沿长度方向;(b)磁场沿厚度方向

DyNi快淬条带的转动磁熵变由上述两个方向的等温磁熵变之差确定，结果如图5所示。转动等温磁熵变在52 K附近达到峰值，大小约3.31 J kg-1·K-1，半高宽ΔTFWHM为48.3 K。制冷效率RCP通常用来描述磁制冷工质的制冷能力，定义其为，经计算得到DyNi快淬条带的转动磁制冷效率为160 J·kg-1，与许多磁制冷材料的经典磁制冷效率相当。

图5 DyNi条转动等温磁熵变随温度变化曲线

3 结论

利用单辊熔体快淬法成功制备了DyNi多晶合金快淬条带，贴辊面与自由面的温差诱导晶粒沿条带厚度方向择优生长。DyNi快淬条带的磁性沿条带长度方向和厚度方向存在明显各向异性。在5 T外磁场下，转动磁熵变峰值约为3.31 J·kg-1K-1，制冷效率160 J·kg-1，与许多材料的经典磁制冷效率相当。利用熔体快淬法可成功制备具有大各向异性的磁性多晶合金，并在多晶合金中获得较大转动磁制冷效率。对研发低成本和高效率转动磁制冷工质具有重要意义。