[發(fā)明專利]一種用于計(jì)算磁晶耦合材料磁驅(qū)晶格熵變的方法

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202210759010.8
• 申請(qǐng)日: 2022-06-29
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN115101148A
• 公開(kāi)（公告）日: 2022-09-23
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張正明;王敦輝;胡鵬強(qiáng);龔健虎;張成亮;汪鴻昌
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 杭州電子科技大學(xué)
• 主分類號(hào): G16C60/00
• 分類號(hào): G16C60/00
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標(biāo)事務(wù)所(普通合伙) 32249
• 代理人: 徐激波

本發(fā)明公開(kāi)了一種用于計(jì)算磁晶耦合材料磁驅(qū)晶格熵變的方法，包括：確定磁晶耦合材料相變過(guò)程中各磁場(chǎng)下高場(chǎng)相結(jié)構(gòu)的體積分?jǐn)?shù)λ(H)；分別獲取磁晶耦合材料零場(chǎng)相和高場(chǎng)相的德拜溫度，依據(jù)德拜模型計(jì)算其零場(chǎng)相和高場(chǎng)相的晶格熵；建立零場(chǎng)相和高場(chǎng)相兩相共存模型，計(jì)算等溫條件下材料在相變溫區(qū)內(nèi)不同磁場(chǎng)下的晶格熵S_L(H)；計(jì)算磁晶耦合材料在相轉(zhuǎn)變過(guò)程中各磁場(chǎng)下的磁驅(qū)晶格熵變?chǔ)_L(H)，確定ΔS_L(H)趨于飽和時(shí)所需的最小磁場(chǎng)，并找出最大晶格熵變所在溫區(qū)。本發(fā)明為在磁制冷材料中構(gòu)筑強(qiáng)磁晶耦合、增大總熵變、減小驅(qū)動(dòng)磁場(chǎng)、確定最佳制冷工作溫區(qū)等方面提供必要的解決方案。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及磁制冷材料領(lǐng)域，具體說(shuō)是一種用于計(jì)算磁晶耦合材料磁驅(qū)晶格熵變的方法。

背景技術(shù)

近年來(lái)，以磁制冷為代表的新型固態(tài)制冷技術(shù)因其具有綠色環(huán)保、低碳高效、穩(wěn)定可靠、輕便低噪等優(yōu)點(diǎn)受到世界各國(guó)的日益重視。磁制冷是一種基于材料磁熱效應(yīng)的制冷方式，即在變化的磁場(chǎng)作用下，磁性材料的磁矩排列方式隨之改變，導(dǎo)致材料自身釋放和吸收熱量，通過(guò)合理的循環(huán)設(shè)計(jì)最終可實(shí)現(xiàn)制冷。

一直以來(lái)，具有磁晶耦合特征的一級(jí)磁相變材料被認(rèn)為是磁制冷的主要候選工質(zhì)。這類材料中的磁晶耦合表現(xiàn)為發(fā)生磁性相變時(shí)也同步發(fā)生晶體結(jié)構(gòu)相變(或晶格常數(shù)突變)，即發(fā)生磁結(jié)構(gòu)耦合相變(或磁彈相變)。因在相變點(diǎn)附近有著劇烈的磁化強(qiáng)度變化和晶格序變化，所以這類材料中的相變很容易被磁場(chǎng)、壓力或溫度等不同物理場(chǎng)驅(qū)動(dòng)，呈現(xiàn)出豐富的磁熱、壓熱、彈熱、磁性形狀記憶和負(fù)熱膨脹等效應(yīng)。我們知道磁晶耦合材料在磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下的總熵變主要由磁有序變化導(dǎo)致的磁熵變?chǔ)_M(H)和晶格序變化導(dǎo)致的晶格熵變?chǔ)_L(H)構(gòu)成。但是我們注意到材料中的最大摩爾磁熵Rln(2J+1)(R為氣體常數(shù))受限于總角動(dòng)量量子數(shù)J，即使采用具有高J的稀土磁性材料作為制冷工質(zhì)，所表現(xiàn)出的純磁熵變也十分有限。而晶格熵變通常與磁性材料發(fā)生相變時(shí)所伴生的體積變化相關(guān)聯(lián)，理論上并沒(méi)有上限。因此最大化地挖掘晶格熵變是提高磁晶耦合合金磁制冷性能的重要手段之一。

當(dāng)前，有關(guān)晶格熵變的研究多采用溫度驅(qū)動(dòng)相變的方法，其存在的問(wèn)題主要包括：(1)這類方法只是計(jì)算了相變前后兩種穩(wěn)定相結(jié)構(gòu)之間的晶格熵變，所以我們并不能獲悉相轉(zhuǎn)變尚未結(jié)束時(shí)(比如兩相共存時(shí))的晶格熵變化；(2)沒(méi)有考慮磁相變過(guò)程中的磁化歷史，因而不能直接確定磁驅(qū)晶格熵變大小以及晶格熵變達(dá)到飽和時(shí)所需的最小磁場(chǎng)。實(shí)際上，在特定溫度下，磁驅(qū)結(jié)構(gòu)相變完成以后，晶格熵不再變化。所以并不需要一味地利用很強(qiáng)的磁場(chǎng)來(lái)驅(qū)動(dòng)晶格熵變，有時(shí)比較小的磁場(chǎng)就能使晶格熵變達(dá)到飽和狀態(tài)。因此，有必要發(fā)展一種可以確定磁晶耦合材料磁驅(qū)晶格熵變的計(jì)算方法，為提高磁晶耦合合金磁制冷性能提供必要的解決方案。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種兩相共存模型，用于計(jì)算磁晶耦合材料在相轉(zhuǎn)變過(guò)程中不同磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的晶格熵變大小，并能確定晶格熵變達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)所需的最小磁場(chǎng)以及材料最大晶格熵變所處溫區(qū)。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：一種用于計(jì)算磁晶耦合材料磁驅(qū)晶格熵變的方法，包括以下具體步驟：

步驟1，確定磁晶耦合材料相變過(guò)程中各磁場(chǎng)下高場(chǎng)相結(jié)構(gòu)的體積分?jǐn)?shù)λ(H)；

步驟2，分別獲取磁晶耦合材料零場(chǎng)相和高場(chǎng)相的德拜溫度和依據(jù)德拜模型計(jì)算其零場(chǎng)相和高場(chǎng)相的晶格熵和

步驟3，建立零場(chǎng)相和高場(chǎng)相兩相共存模型，計(jì)算等溫條件下材料在相變溫區(qū)內(nèi)不同磁場(chǎng)下的晶格熵S_L(H)；

步驟4，計(jì)算磁晶耦合材料相轉(zhuǎn)變過(guò)程中各磁場(chǎng)下的磁驅(qū)晶格熵變?chǔ)_L(H)，確定ΔS_L(H)趨于飽和時(shí)所需的最小磁場(chǎng)，并找出最大晶格熵變所在溫區(qū)。

進(jìn)一步地，在步驟1中，磁晶耦合材料在相變過(guò)程中高場(chǎng)相結(jié)構(gòu)的體積分?jǐn)?shù)可由磁場(chǎng)X射線衍射譜、磁場(chǎng)中子衍射譜或相場(chǎng)模擬等方法獲得。