范文迪，黨栩鵬，特古斯，歐志強，楊 帆，李承樞

(內蒙古師范大學 物理與電子信息學院,內蒙古 呼和浩特 010022)

1 引 言

磁制冷是以磁性材料為工質，借助其磁熱效應(Magnetocaloric effect, MCE)來實現制冷. 1933年人們已實現了低溫(<1 K)磁制冷技術[1]，但室溫磁制冷還沒有得到應用. 由于磁制冷的節(jié)能高效和綠色環(huán)保性，室溫磁制冷材料與產品的研究越來越受到人們的關注.

磁熱效應是指磁制冷工質在等溫磁化時向外界放出熱量或絕熱退磁時從外界吸收熱量的現象. 等溫磁熵變和絕熱溫變是衡量磁制冷材料磁熱效應能力的重要參量[2]. 目前磁熱效應的測量方法主要有3種：磁化強度測量法、比熱容測量法和直接測量法. 磁化強度測量法是通過測量一系列等溫磁化曲線，再根據磁麥克斯韋關系計算，得到等溫磁熵變. 這種方法因測量簡便、快速而被廣泛采用，但因為是一種間接測量方法，誤差比較大. 比熱容測量法是在不同磁場(含零磁場)下分別測量材料升溫比熱，再通過計算得到不同磁場下的熵-溫曲線，從而確定磁熵變和絕熱溫變. 這種方法由于對比熱的測量精度、溫度和磁場強控制的精度要求較高，故很少采用. 直接測量法是測量材料在絕熱磁化和退磁過程中的溫度變化. 這種方法所用設備簡單、易于操作、測量成本低[2-3]. 本文根據磁熱效應原理，設計制作了磁熱效應演示裝置，該裝置比較直觀地顯示磁制冷工質的磁熱效應.

2 磁熱效應演示裝置的工作原理及設計思想

磁性材料是由具有磁矩和熱運動的原子或磁性離子組成的結晶. 當不加外磁場時，磁制冷材料的磁矩隨機取向，此時的熵較大. 當材料被磁化時，磁矩方向沿磁場方向取向，在絕熱條件下，自旋有序度增加，磁熵降低，磁熱材料自身溫度升高. 退磁時，由于原子或離子的熱運動，磁矩無序排列，在絕熱條件下，磁熵增加，磁熱材料自身溫度降低. 磁熱效應演示裝置就是通過控制磁熱材料進出磁場，達到對材料磁化和退磁的效果，從而改變磁熱材料自身溫度.

以往的磁熱效應測量裝置的測量全程都需要人為控制并且記錄溫度，花費測試人員大量時間和精力,在操作過程中容易產生較大誤差. 本文中的磁熱效應演示裝置，通過軟件和硬件相結合，實現了測量的自動化，即根據實驗要求，設定好參量后可以自行完成測量，無需人員看守. 通過軟件控制，溫度傳感器每30 ms收集1次數據，可以提高測量精度，最大限度捕捉溫變最大值. 實驗數據及圖像可實時顯示在電腦屏上，直觀地展示磁性材料的磁熱效應. 經過測試，實驗結果可重復性高，數據可靠.

根據磁熱效應原理，以Mn1.28Fe0.67P0.48Si0.54磁熱材料為測試樣品，在整個實驗過程中，樣品處在緩慢升溫的環(huán)境. 測量步驟設計如下：第一步，樣品在磁場中等待樣品溫度與環(huán)境溫度一致，當相等時，樣品被拉出磁場退磁，測出退磁時的絕熱溫變ΔTad并記錄. 第二步，記錄完成后再將樣品推進磁場. 當以上步驟完成時，開始重復第一步，下一循環(huán)開始，如此反復至實驗結束.

3 磁熱效應演示儀的結構與功能

磁熱效應測量儀由硬件部分和軟件部分組成. 如圖1所示，硬件部分由4部分組成.

圖1 演示儀示意圖

1)磁場系統. 使用Nd-Fe-B磁體組裝的強磁場(磁場方向垂直于紙面)，對樣品進行磁化. 磁體中間有正方形孔洞，孔徑尺寸為20 mm×20 mm，最強磁感應強度為1.2 T.

2)傳動部分. 置于磁場的正上方，使樣品可以自由進出磁場，實現對樣品的磁化/去磁. 使用的電動機是直線執(zhí)行電機，最大負載為6 000 N，避免了磁場對樣品產生吸引導致實驗無法進行的情況. 直線執(zhí)行電動機加裝了繼電器并連接在下位機上，實現了傳動部分與電腦的聯機，從而實現由電腦程序直接控制樣品進出磁場.

3)絕熱部分(樣品室). 由PVC塑料管與傳動部分連接，其內放置樣品. 良好的絕熱效果可以減少環(huán)境與樣品之間的熱交換，提高測量的精度，最大限度地減少測量過程中環(huán)境溫度對測試結果產生影響. 為了達到更好的絕熱效果，采用了多重保溫的方法. 因為壓力、表面粗糙度、材質、表面填充物都會對導熱產生影響[4-5]，所以對樣品和與樣品接觸的溫度傳感器做了如下處理：首先對樣品表面進行打磨、拋光，提高表面的光潔度. 使用導熱系數為1.2 W/(m·K)的導熱硅膠將傳感器與樣品粘接，再用泡沫做成的保護套進行包裹和擠壓，在保證隔熱的同時，也使溫度傳感器與樣品的接觸壓力增大，提高熱導率. 最后用生料帶對整個泡沫部分進行包覆，保證樣品與傳動裝置的穩(wěn)固連接.

4)溫度測量部分. 考慮到樣品質量相對較小，實驗過程中溫度傳感器的溫度會對實驗結果有所影響，所以選用了體積小(3 mm×2.5 mm×1 mm)、響應靈敏的Pt100溫度傳感器，靈敏度為0.1 K.

軟件部分實現了測量過程全程自動控制，可以對樣品溫度實時監(jiān)測，從而能夠進行實時數據處理和曲線繪制. 程序使用C語言在keil環(huán)境下編輯完成，下載到微處理器中，通過微處理器進行自動控制. 每次測試程序開始時，傳動部分都會復位，樣品桿延伸至最長，將樣品置于磁場磁化. 當樣品溫度在一段時間內溫度變化不超出0.1 K時，溫度傳感器會記錄此時的溫度并與100 ms后測得的值進行比對：如果溫差在允許范圍內，則將樣品桿提升，磁熱材料退磁；如果100 ms后的二者溫度變化浮動超出允許值，說明溫度并未趨于穩(wěn)定，程序繼續(xù)執(zhí)行上一步驟，直至樣品溫度在100 ms內溫差小于允許范圍. 當樣品桿開始退出磁場時，電腦開始實時監(jiān)測退磁溫變(ΔTad)數據，由于磁熱效應溫度變化發(fā)生的時間非常短，反復測試后將程序設置為每間隔30 ms將測得的樣品溫度返回至計算機進行計算. 樣品被拉出磁場并在磁場外等待一段時間，通過比較退磁前后的溫度差，得到的最大溫差即為磁熱材料的退磁溫變ΔTad. 隨著環(huán)境溫度緩慢地上升便可測出升溫的絕熱退磁溫變ΔTad-T曲線.

4 實驗結果與討論

圖2是使用磁熱效應測量裝置測量磁熱材料Gd和Mn1.28Fe0.67P0.48Si0.54得到的磁場變化為1.2 T下的磁熱效應ΔTad-T曲線. 金屬Gd的最大磁熱效應值為2.9 K(在294 K). 高純度金屬Gd的居里溫度是293 K,在較高的永磁場(1.3～2 T的磁場強度)下絕熱溫變值是3.6 K[2]. 實驗結果與文獻值相比較可知，該演示裝置測量結果基本準確. 由于樣品室沒有做到完全絕熱,又樣品Gd的純度不同，使得測量結果有些偏差. Mn1.28Fe0.67P0.48Si0.54樣品的最大磁熱效應值為0.9 K左右.

圖2 用該測量儀測得金屬Gd和Mn-Fe-P-Si 樣品的磁熱效應曲線

2組樣品初始的幾個數據都有一定的浮動，這是環(huán)境溫度對樣品產生影響引起的. 當環(huán)境溫度與樣品溫度趨于一致后，可以得到明顯的ΔTad-T曲線. 由Mn1.28Fe0.67P0.48Si0.54樣品的磁熱效應隨溫度變化的ΔTad-T曲線可知實驗數據有些浮動，這可能是由于Mn1.28Fe0.67P0.48Si0.54材料比較脆且易碎，以致影響熱導性而造成的. 另外，由于Mn1.28Fe0.67P0.48Si0.54屬于一級相變材料，存在較大熱滯(～5 K)，也影響了實驗結果.

5 結束語

磁熱效應測量儀所得實驗結果重復性好，測量過程時間短，實現了測量過程全程自動化，儀器的維護和使用也十分簡單，用于研究材料的室溫磁熱效應是可行的.

參考文獻：

[1] Tegus O, Brück E, Buschow K H J, et al. Transition-metal-based magnetic refrigerants for room-temperature applications [J]. Nature, 2002, 415(10):151.

[2] 黃焦宏,金培育,劉金榮，等. 磁熱效應的直接測量與測量儀器[J]. 稀有金屬,2005,29(4):584-586.

[3] 金培育,黃焦宏,劉翠蘭，等. 室溫磁熱效應直接測量儀的研制[J]. 稀土，2007,28(6):35-38.

[4] 徐烈,楊軍,徐佳梅，等. 低溫下固體表面接觸熱阻的研究[J]. 低溫與超導，1996,24(1):53-58.

[5] 郭立君，馮再，吳衛(wèi). 磁制冷材料絕熱溫變測試數據自動控制分析系統[J]. 中國測試技術,2006,32(2):8-10,32.