CC BY
18
Челябинский физико-математический журнал. 2020. Т. 5, вып. 4, ч. 2. С. 545-556.
УДК 537.638.5 БОТ: 10.47475/2500-0101-2020-15414
ИССЛЕДОВАНИЕ МАГНИТООБЪЁМНОГО ЭФФЕКТА СОЕДИНЕНИЯ БуСо2 ПРИ ИЗОТЕРМИЧЕСКОМ И АДИАБАТИЧЕСКОМ РЕЖИМЕ ИЗМЕНЕНИЯ МАГНИТНОГО ПОЛЯ
А. Ю. Карпенков1,2'", П. А. Ракунов2, К. П. Скоков3, Д. Ю. Карпенков1'4 С. В. Таскаев1'5
1 Южно-Уральский государственный университет (национальный исследовательский университет), Челябинск, Россия
2 Тверской государственный университет, Тверь, Россия
3 Технический университет, Дармштадт, Германия
4Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС», Москва, Россия
5 Челябинский государственный университет, Челябинск, Россия " [email protected]
Разработана установка синхронного измерения магнитотепловых и магнитострикци-онных свойств магнитных материалов. Особенности установки позволили провести систематические исследования магнитокалорического и магнитообъёмного эффектов соединения БуСс2 с зонным метамагнитным переходом первого рода. Установлено, что значения величины магнитообъёмного эффекта в соединении БуСс2 в условиях адиабатического изменения магнитного поля на 20 % меньше, чем при изотермических условиях. Данный эффект объясняется тем, что при адиабатическом намагничивании происходит изменение температуры образца за счёт магнитокалорического эффекта, которое приводит к тому, что из размагниченного состояния образец переходит в намагниченное по пути, не соответствующему максимуму эффекта. Такое поведение материала должно учитываться при конструировании реальных магнитных твердотельных тепловых машин.
Ключевые слова: магнитокалорический эффект, магнитострикция.
Введение
В наши дни широкое распространение получает использование магнитных материалов в быту человека и в промышленности. Их уже давно используют как постоянные магниты, магнитные фильтры, в различных преобразователях, памяти приборов и т. д. [1]. Также к этому списку можно добавить развивающийся метод магнитного охлаждения, в котором магнитный материал используется в качестве рабочего тела охлаждающего устройства. В связи с этим перед исследователями стоит важная задача поиска новых материалов, а также всестороннее исследование свойств уже открытых магнитных материалов.
Относительно недавно наибольший интерес для исследователей стали вызывать некоторые классы соединений, в которых происходит магнитный фазовый переход
Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда (проект № 18-42-06201) с использованием оборудования лаборатории магнитных материалов Центра коллективного пользования Тверского государственного университета.
первого рода. К таким соединениям относятся соединения систем Ьа(Ее,81)13 [2-5], обладающие кубической кристаллической структурой типа NaZn13. Ещё одним примером являются МпхРе1.95-хР1-у[6] с гексагональной структурой типа Ге2Р, в которых наблюдаются зонные метамагнитные переходы (ЗМП). Изучение подобных систем оживило интерес к системам с ЗМП и, в частности, с точки зрения характера перехода и его кинетики в магнитном поле — всё это важно для применения материалов в приборостроении.
Одним из наиболее ярких представителей магнитных материалов, используемых человеком, являются соединения ИСо2 (И. — редкоземельный элемент). В данных материалах при определённых параметрах кристаллической решётки внешние факторы могут вызвать ЗМП. К преимуществам данного соединения следует отнести конгруэнтную кристаллизацию, что не требует дополнительных термических обработок для получения однофазного состояния. Это является важным достоинством данных соединений, так как уменьшает затраты на использование данных соединений в различных устройствах. Не менее важным достоинством данных соединений являются высокие значения магнитокалорического эффекта (МКЭ), что позволяет их использовать в криогенном охлаждении.
Соединение ВуСо2 представляет потенциальный интерес для низкотемпературного применения в магнитном охлаждении. Фазовый переход в данном соединении был предсказан в работах [7; 8] и исследовался с помощью рентгеновского излучения в нулевом поле, где в области магнитного перехода наблюдались тетрагональные искажения кристаллической решётки [9; 10]. Эти же самые рентгеновские измерения показали, что в магнитном поле 4 Тл фазовый переход становится непрерывным. Тем не менее, несмотря на большую работу над этой системой, такая сложность строения данных соединений ставит непростую задачу: для использования в приборостроении этих соединений необходимо выяснить механизм ЗМП, какая именно подсистема отвечает за него, чтобы понимать, как именно ведёт себя весь образец в целом в условиях, приближенных к рабочему циклу реального охлаждающего устройства, который может включать в себя процессы перемагничивания в различных условиях изменения магнитного поля. Например, такими условиями могут быть адиабатическое и изотермическое изменение внешнего магнитного поля.
Таким образом, понимание механизма, а также точность определения характеристик поведения материала в магнитном поле являются важными задачами, которые необходимо решить перед применением материалов в промышленности. В данной работе при помощи разработанной установки проведены систематические исследования стрикционных свойств соединения ВуСо2 в условиях адиабатического и изотермического изменения внешнего магнитного поля.
1. Образцы и эксперимент
Исходные сплавы были получены методом высокочастотной индукционной плавки в атмосфере особо чистого аргона. В качестве исходных компонентов использовались металлы высокой степени чистоты: Со — 99,99 %, Ву — 99,99 %. Небольшое количество (5.3 вес. %) Ву было добавлено в избытке к стехиометриче-ски рассчитанному отношению Ву:Со, чтобы (1) компенсировать потерю веса Ву во время индукционной плавки и (2) предотвратить образование конгруэнтно плавящейся фазы ВуСо3 (распространённая примесь в ВуСо2, которая образуется из ВуСо2 и жидкости в результате перитектической реакции).
Фазовый состав образцов определялся на рентгеновском аппарате «ДРОН-7», модифицированного системой быстрой регистрации на основе линейного стрипо-
вого позиционно-чувствительного детектора Mythen 1K (производитель — фирма Dectris Ltd., Швейцария). Экспериментально полученная дифрактограмма показана черным цветом на рис. 1, красным цветом представлен расчётный спектр для кристаллической структуры MgCu2 (пространственная группа Fd3m, а = 7.1747 А). Хорошее совпадение пиков экспериментальной и расчётной зависимостей свидетельствует о присутствии в полученном сплаве фазы со структурой MgCu2.
2<9[]
Рис. 1. Рентгеновская дифрактограмма для соединения DyCo2
1.1. Прямые исследования магнитокалорического эффекта и магнитострикции
Для проведения прямых измерений магнитокалорического эффекта и магнитострикции в синхронном режиме была разработана уникальная установка, включающая в себя: источник магнитного поля, криостат, измерительную вставку, компьютер с разработанным программным обеспечением, приборы для регистрации сигналов (рис.2).
В качестве источника магнитного поля была взята система из постоянных магнитов, состоящая из двух концентрически расположенных магнитных цилиндров, каждый из которых построен по принципу дипольной Хальбах-структуры (производитель — фирма АМТ&Со). Для измерений в широком диапазоне температур от 77 до 600 К система оснащена криостатом. Для регистрации магнитного поля, создаваемого в зазоре магнитной системы, на криостате на уровне максимального значения поля был закреплён датчик Холла.
Общий вид собранной измерительной вставки представлен на рис. 3, а. Разработанная вставка представляет собой шток из капилляров, на концах которых находится держатель образца. В качестве капилляров были выбраны карбоновые трубки, внутри которых проложены измерительные и питающие нагреватель провода. Трубки располагаются по окружности вдоль главной оси вставки и центрируются с помощью алюминиевых шайб.
Основная часть вставки помещается в чехол, являющийся «вакуумной рубашкой». Чехол и голова вставки изготовлены из нержавеющей стали. Через специальные вакуумные разъёмы (рис. 3,в), расположенные на голове вставки, подключаются измерительные и питающие провода, вакуумный насос. Держатель образца, изготовленный из латуни, имеет форму цилиндра, в котором имеется простран-
Рис. 2. Схема установки для прямого измерения магнитокалорического эффекта
и магнитострикции
ство для крепления образца (2x1 см) и канал для вывода измерительных проводов (рис. 3,г). Поверх держателя помещается экран, выполненный в форме полого цилиндра, на который намотан нагреватель. Высокая скорость передачи тепла и однородная зона нагрева обеспечиваются плотным прилеганием экрана нагревателя к держателю.
Измерительная вставка с образцом вставляется в криостат. Необходимо отметить, что вставка сконструирована таким образом, что образец находится в области максимального магнитного поля и вдоль вектора индукции. Такое расположение образца позволяет уменьшить влияние фактора размагничивания на величину магнитокалорического эффекта.
Для реализации адиабатических условий измерения (1) из вставки откачивался воздух турбомолекулярным насосом до давления 10-6 мбар; (2) внешнее магнитное поле изменялось в быстром темпе (1 Тл/с); (3) измеряемый образец был изолирован от окружающей среды с помощью пирогеля (волокно с низкой теплопроводностью).
Измерения температуры образца проводятся с помощью дифференциальной термопары медь-константан, один конец которой закреплён на образце с помощью теплопроводящей эпоксидной смолы. Для контроля температуры нагревателя и держателя образца в центральной части держателя размещена вторая термопара. Для исключения риска повреждения обоих термопар их внешняя часть помещена в защитный чехол (пластиковая трубка) и опущена в воду со льдом.
Измерительная часть вставки крепится к голове посредством латунной втулки. По причине того, что при измерении каждого образца приходится изготавливать новую термопару и соединять её со вторым концом, расположенным на держателе,
Рис. 3. Конструкция измерительной вставки: а) общий вид вставки; б) разъёмы для соединения термопар; в) вакуумный 32-контактный разъём для подключения питания и измерительных проводов; г) держатель с образцом, на который наклеен тензодатчик и припаяны термопары;
д) нагреватель
на верхней части вставки имеются специальные разъёмы для соединения термопар (рис. 3, б).
Сигналы с термопар и датчика Холла регистрируются универсальными вольтметрами B7/78-1, которые посредством GPIB-интерфейса соединены с компьютером для управления и чтения данных. Для данной установки разработан уникальный программный комплекс, позволяющий в полностью автоматизированном режиме проводить измерения.
На рис. 4, а представлены результаты контрольных измерений МКЭ на поликристаллическом образце Gd. На графике видно, что максимум магнитокалорического эффекта наблюдается вблизи 293 К и составляет АТад = 4.83 K в поле 1.85 Тл.
0,50
-0,25
0,00
\хН, Т л
-Поликристалл Ni Т=300 к б) -£
- —ч 1
1 , 1 1 ^ 3
0,25
280 290
т, к
Рис. 4. а) Температурные зависимости МКЭ для поликристалла Сё. б) Полевые зависимости продольной и поперечной магнитострикции поликристалла никеля
0,50
Конструкция измерительной вставки позволяет одновременно исследовать полевые и температурные зависимости магнитострикции и терморасширения. Измеряемые образцы представляли собой плоскопараллельные пластинки толщиной 1-3 мм, имеющие линейные размеры 4x4 мм (рис. 3, г). Для регистрации деформаций, возникающих при приложении внешнего магнитного поля, на плоскую очищенную поверхность образца клеились тензодатчики БК-06-030ТУ-350 фирмы У1яЬау, выбор которой обусловлен широким рабочим интервалом температур (от -269 до +290 °С) и малыми линейными размерами датчика (2x2 мм).
При изменении внешнего магнитного поля происходили изменения линейных размеров образца, регистрации которых осуществлялась путём измерения сопротивления тензодатчика универсальным вольтметром В7/78-1 по 4-контактной схеме. Имеющиеся тензодатчики позволяли измерять магнитострикцию параллельно и перпендикулярно направлению магнитного поля. Для правильного измерения изменения линейных размеров образца при изменении температуры и магнитного поля рядом с образом размещается образец с кварцем, на котором также закреплён аналогичный тензодатчик, сигнал от которого вычитается из сигнала тензодатчика, приклеенного на измеряемом образце.
Для аттестации созданной установки проводились контрольные измерения продольной и поперечной магнитострикции поликристаллического образца N1. Величина продольной и поперечной магнитострикции при температуре 300 К в интервале изменения поля от -1.85 до +1.85 Тл составила -36х 10-6 и 14х 10-6 соответственно.
2. Результаты и их обсуждение
Метамагнитные свойства кобальтовой подсистемы играют решающую роль в определении рода фазового перехода в соединениях И,Со2. Авторами [11] было показано, что метамагнитный переход первого рода может происходить только в определённом диапазоне значений параметра решётки: а < 7.22 А — фазовый переход 1-го рода, а > 7.22 — фазовый переход второго рода. Из данных рентгенострук-турного анализа (рис. 1) был найден параметр решётки для синтезированного соединения ВуСо2, равный 7.1747 А, что согласно теории делает возможным существование перехода 1-го рода. На рис. 5 представлены результаты одновременных полевых измерений МКЭ (синие кривые) и объёмной магнитострикции (красные кривые) для соединения ВуСо2, измеренные в режиме однократного циклирова-ния в магнитом поле. Из рисунка хорошо видно, что кривые при намагничивании образца совпадают с кривыми при размагничивании, к тому же после двойного циклирования поля Н = 0 ^ 1.85 ^ 0 ^ -1.85 ^ 0 Тл) температура образца возвращается к начальному значению. По измеренным полевым зависимостям были построены температурные зависимости МКЭ (рис. 5, б) и магнитострикции (рис. 7, а). Асимметричная форма температурных зависимостей вместе с острым максимумом свидетельствуют о наличии в данном соединении магнитного фазового перехода 1-го рода. Максимальное значение ДТад (Н), равное 3.25 К, достигается при температуре 142 К, что соответствует температуре Кюри.
Следует отметить, что во многих соединениях И,Со2 наблюдается большой маг-нитообъёмный эффект (для соединений с магнитным фазовым переходом 1-го рода А У/У & 0.4%) [12-17]. Данный эффект объясняется тем, что помимо одноионной (анизотропной) магнитострикции, обусловленной наличием обменного взаимодействия между зонными 3-d электронами, а также создаваемого редкоземельной под-решёткой эффективного обменного поля Нр_со, которое действует на подрешётку Со, приводя к её магнитному упорядочению, существует большая объёмная (изо-
тропная) магнитострикция, возникающая вследствие взаимодействия анизотропного электронного облака (4/-оболочки) с внутрикристаллическим полем. Для исследования влияния режима приложения внешнего магнитного поля на величину данного эффекта были проведены комплексные измерения продольной и поперечной магнитострикции при адиабатических и изотермических условиях.
Рис. 5. а) Полевые зависимости адиабатического изменения температуры и объёмного расширения для соединения БуСо2; б) температурные зависимости МКЭ для соединения БуСо2
в различных магнитных полях
На рис. 6, а представлены температурные зависимости продольного и поперечного терморасширения для соединения БуСо2 без поля и в магнитном поле Н =1.8 Тл. Анализ зависимости показывает, что в нулевом поле (сплошные кривые) при температуре 142 К наблюдается скачкообразное изменение линейных размеров образца, которое вызвано магнитным фазовым переходом. Необходимо отметить, что процесс перехода сопровождается тетрагональными искажениями, что проявляется в отличии хода кривых, измеренных в продольном и перпендикулярном направлении относительно приложенного поля. Однако, несмотря на различный знак изменения линейных размеров, в образце наблюдается большое расширение решётки (магнитообъёмный эффект).
'—I—I—I—I—I—1—1—1—1—|—.—^ -ю —■—■—*—*—I—*—■—■—.—I—1—1—1—1—1—
100 200 300 100 125 150 175
7", К Т, К
Рис. 6. а) Температурные зависимости продольного и поперечного температурного расширения для соединения БуСо2 в магнитном поле 1.8 Тл и без магнитного поля. б) Кривые объёмного терморасширения для соединения БуСо2, измеренные без магнитного поля и в поле ^оН = 1.8 Тл. На рисунке обозначены зависимости объёмного расширения от изменения температуры при измерениях в изотермических (пунктирные прямые) и адиабатических (жёлтые кривые) условиях
Подтверждением этому служат данные температурных зависимостей продоль-
0,6
б)
0,4
т
0,2
о
с^ 0,0
-0,2
адиаб
-0,4
90 120 150 180 210
100 125 150 175 200
Т, К
Т, К
Рис. 7. а) Температурные зависимости продольной и поперечной магнитострикции для соединения БуСо2 в магнитном поле 1.8 Тл, измеренные в адиабатических и изотермических условиях. б) Температурные зависимости объёмной магнитострикции для соединения БуСо2, измеренные в изотермических (красные символы), адиабатических (жёлтые символы) условиях, а также рассчитанные из кривых объёмного терморасширения (синяя кривая)
ной и поперечной А^ (Т) магнитострикции, полученные из полевых измерений (рис. 7, а, синие кривые). Из кривых видно, что в парамагнитной области обе кривые идут одинаково и имеет место объёмное расширение, однако при переходе и в ферромагнитном состоянии наблюдаются тетрагональные искажения решётки — А|| (Т) и А^ (Т) приобретают разный знак.
Помимо изотермических зависимостей созданная установка позволяет измерять полевые зависимости магнитострикции при адиабатическом изменении магнитного поля (красные символы на рис. 7, а). Из полученной зависимости хорошо видно, что максимальные значения также наблюдаются при 142 К.
Из всех полученных данных по формуле и = А у +2 х А^ были рассчитаны температурные зависимости объёмного расширения и(Т), представленные на рис. 7, б. Максимальное значение для объёмной магнитострикции, измеренной в адиабатических условиях (жёлтая кривая), на 20% меньше максимума при изотермических (красная кривая). Для того чтобы объяснить данный эффект, воспользуемся диаграммой объёмного терморасширения (рис. 6, б), полученной из данных термического расширения (рис. 6, а).
На диаграмме (рис. 6, б) обозначены зависимости объёмного расширения от изменения температуры при измерениях в изотермических (пунктирные голубые линии) и адиабатических (жёлтые кривые) условиях. Видно, что при изотермических измерениях величина индуцированного полем объёмного расширения есть разница между кривыми объёмного терморасширения, измеренного в поле (красная кривая) и без поля (синяя кривая). Рассчитанная из этих данных температурная зависимость объёмной магнитострикции представлена на рис. 7, б (синяя кривая). Полученная кривая в точности повторяет температурную зависимость объёмной маг-нитосткриции, измеренной в изотермических условиях (красная кривая). Однако в ходе адиабатических измерений температура образца изменяется на величину ДТад (Т), вследствие чего образец из размагниченного состояния (синяя кривая) в намагниченное (красная кривая) переходит по пути, обозначенному жёлтой кривой, разница между начальным объёмом и конечным сокращается, что приводит к уменьшению максимума магнитообъёмного эффекта.
Заключение
Результаты, полученные на разработанной установке одновременного измерения магнитотепловых и магнитострикционных свойств, показали, что величина магнитообъёмного эффекта в соединении DyCo2 в условиях адиабатического изменения магнитного поля на 20% меньше, чем при изотермических условиях. Поскольку соединение DyCo2 с ЗМП представляет потенциальный интерес для низкотемпературного применения в магнитном охлаждении, изученное поведение имеет положительный эффект и должно учитываться при конструировании реальных магнитных твердотельных тепловых машин.
Список литературы
1. Jiles, D.C. Recent advances and future directions in magnetic materials // Acta Materialia. - 2003. - Vol. 51. - P. 5907.
2. Morrison, K. Contributions to the entropy change in melt-spun LaFen.6Sii.4 / K.Morrison, J.Lyubina, J.D.Moore etal. // Journal of Physics D: Applied Physics. — 2010. — Vol. 43, no. 13. — P. 132001.
3. Gutfleisch, O. Magnetic materials and devices for the 21st century: stronger, lighter, and more energy efficient / O. Gutfleisch, M.A.Willard, E. Briick etal. //Advanced materials. — 2011. — Vol. 23, no. 7. — P. 821-842.
4. Morrison, K. Effect of Al substitution on the magnetocaloric properties of La(Fe0.88Si0.12-xAlx )13 / K.Morrison, S. M. Podgornykh, Ye. V. Shcherbakova etal. // Physical Review B. — 2011. — Vol. 83, no. 14. — P. 144415.
5. Bratko, M. History dependence of directly observed magnetocaloric effects in (Mn,Fe)As / M.Bratko, K.Morrison, A.deCampos etal. // Applied Physics Letters. — 2012. — Vol. 100, no. 25. — P. 252409.
6. Dung, N. H. Mixed magnetism for refrigeration and energy conversion / N.H.Dung, Z.Q.Ou, L.Caron et.al. // Advanced Energy Materials. — 2011. — Vol. 1, no. 6. — P. 1215-1219.
7. Duc, N. H. Metamagnetism, giant magnetoresistance and magnetocaloric effects in RCo2-based compounds in the vicinity of the Curie temperature / N. H. Duc, D. T. K. Anh, P. E. Brommer // Physica B: Condensed Matter. — 2002. — Vol. 319, no. 14. — P. 1-8.
8. Zhuang, Y. Phase structure and magnetocaloric effect of (Tb1-xDyx)Co2 alloys / Y. Zhuang, X. Chen, K. Zhou, K. Li, C. Ma // Journal of Rare Earths. — 2008. — Vol. 26. — P. 749-752.
9. Gratz, E. The transport properties of RCo2 compounds / E. Gratz, R. Resel, A. T. Burkov et al. // Journal of Physics: Condensed Matter. — 1995. — Vol. 7, no. 33. — P. 6687.
10. Pecharsky, V. K. In-situpowder diffraction in high magnetic fields / V. K. Pecharsky, Y. Mudryk, K. A. Gschneidner Jr // Zeitschrift fur Kristallographie Supplements. — 2007. — Vol. 2007. — P. 139-145.
11. Khmelevskyi, S. The order of the magnetic phase transitions in RCo2 (R = rare earth) intermetallic compounds / S. Khmelevskyi, P. Mohn // Journal of Physics: Condensed Matter. — 2000. — Vol. 12, no. 45. — P. 9453.
12. Pourarian, F. Field induced volume magnetostriction in some rare earth-Co2 compounds / F. Pourarian // Physical Letters. — 1978. — Vol. 67A. — P. 5-6.
13. Левитин, Р. З. Зонный метамагнетизм / Р.З.Левитин, А.С.Маркосян // Успехи физ. наук. — 1988. — Т. 155, вып. 8. — C. 623-657.
14. Andreev, A.V. Handbook of Magnetic Materials. Vol. 8. / ed. K. H. J. Buschow / A. V. Andreev. — Amsterdam : North-Holland, 1995. — P. 59-187.
15. Gratz, E. Physical properties of RCo2 Laves phases / E. Gratz, A. S. Markosyan // Journal of Physics: Condensed Matter. - 2001. - Vol. 13. - P. R385-R413.
16. Gschneidner, Jr. K. A. Handbook on Physics and Chemistry of Rare Earths / K. A. Gschneidner Jr. — Elsevier Science B.V, 2001.
17. Singh, N. K. Itinerant electron metamagnetism and magnetocaloric effect in RCo2-based Laves phase compounds / N.K.Singh, K.G.Suresh, A.K.Nigam, S.K.Malik, A. A. Coelho, S. Gama // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. - 2007. -Vol. 317. — P. 68-79.
Поступила в 'редакцию 14-09.2020. После переработки 07.11.2020.
Сведения об авторах
Карпенков Алексей Юрьевич, кандидат физико-математических наук, научный сотрудник инновационного отдела управления научной и инновационной деятельности, Южно-Уральский государственный университет (национальный исследовательский университет), Челябинск, Россия; заведующий лабораторией магнитных материалов Центра коллективного пользования научной аппаратурой и оборудованием, доцент кафедры физики конденсированного состояния, Тверской государственный университет, Тверь, Россия; e-mail: [email protected].
Ракунов Павел Андреевич, лаборант кафедры физики конденсированного состояния, Тверской государственный университет, Тверь, Россия; e-mail: [email protected]. Скоков Константин Петрович, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник группы «Функциональные материалы», Технический университет, Дарм-штадт, Германия. e-mail: [email protected].
Карпенков Дмитрий Юрьевич, кандидат физико-математических наук, научный сотрудник инновационного отдела управления научной и инновационной деятельности, Южно-Уральский государственный университет (национальный исследовательский университет), Челябинск, Россия; старший научный сотрудник кафедры функциональных наносистем и высокотемпературных материалов, Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС», Москва, Россия; e-mail: [email protected]. Таскаев Сергей Валерьевич, доктор физико-математических наук, доцент, старший научный сотрудник инновационного отдела управления научной и инновационной деятельности, Южно-Уральский государственный университет (национальный исследовательский университет), Челябинск, Россия; профессор кафедры физики конденсированного состояния, Челябинский государственный университет, Челябинск, Россия; e-mail: [email protected].
Chelyabinsk Physical and Mathematical Journal. 2020. Vol. 5, iss. 4, part 2. P. 545-556.
DOI: 10.47475/2500-0101-2020-15414
INVESTIGATION OF MAGNETO-VOLUME EFFECT OF DyCo2 COMPOUND UNDER ISOTHERMAL AND ADIABATIC MODE OF MAGNETIC FIELD CHANGE
A.Yu. Karpenkov1,2", P.A. Rakunov2, K.P. Skokov3, D.Yu. Karpenkov14, S.V. Taskaev15
1 South Ural State University (National Research University), Chelyabinsk, Russia
2 Tver State University, Tver, Russia
3 Technical University of Darmstadt, Darmstadt, Germany 4National Research Technological University "MISiS", Moscow, Russia 5 Chelyabinsk State University, Chelyabinsk, Russia
The new unic measurement setup for the simultaneous measurement of magneto-thermal and magnetostrictive properties of magnetic materials was made. A complex investigation of the magnetocaloric and magneto-volume effects of the DyCo2 compound with the first order metamagnetic transition were carried out. It was found that the magnitude of the magneto-volume effect in the DyCo2 compound under the adiabatic magnetic field change is 20% less than under isothermal conditions. This effect is explained by the fact that during the adiabatic magnetization, the temperature of the sample changes due to magnetocaloric effect, which leads to the sample goes from the demagnetized state to a magnetized one along a way that does not correspond to the maximum effect. This behavior of the material should occur in the real magnetic solid-state heat pump designing.
Keywords: magnetocaloric effect, magnetostriction.
References
1. Jiles D.C. Recent advances and future directions in magnetic materials. Acta Materialia, 2003, vol. 51, p. 5907.
2. MorrisonK., LyubinaJ., Moore J.D. [et al.]. Contributions to the entropy change in melt-spun LaFe11.6Si1.4. Journal of Physics D: Applied Physics, 2010, vol. 43, iss. 13, p. 132001.
3. GutfleischO., WillardM.A., BrUck E. [et al.]. Magnetic materials and devices for the 21st century: stronger, lighter, and more energy efficient. Advanced Materials, 2011, vol. 23, iss. 7, pp. 821-842.
4. MorrisonK., Podgornykh S.M., Shcherbakova Ye.V. [et al.]. Effect of Al substitution on the magnetocaloric properties of La(Feo.ssSio.12-xAlx)13. Physical Review B, 2011, vol. 83, iss. 14, p. 144415.
5. BratkoM., MorrisonK., de Campos A. [et al.]. History dependence of directly observed magnetocaloric effects in (Mn,Fe)As. Applied Physics Letters, 2012, vol. 100, iss. 25, p. 252409.
6. DungN.H., OuZ.Q., CaronL. [et al.]. Mixed magnetism for refrigeration and energy conversion. Advanced Energy Materials, 2011, vol. 1, iss. 6, pp. 1215-1219.
The work was supported by the Russian Science Foundation, the project no. 18-42-06201. The microstructure studies were carried out on the equipment of shared services center of Tver State University.
7. DucN.H., Anh D.T.K., BrommerP.E. Metamagnetism, giant magnetoresistance and magnetocaloric effects in RCo2-based compounds in the vicinity of the Curie temperature. Physica B: Condensed Matter, 2002, vol. 319, iss. 1-4, pp. 1-8.
8. Zhuang Y., ChenX., ZhouK., LiK., Ma. C. Phase structure and magnetocaloric effect of (Tbi-xDyx)Co2 alloys. Journal of Rare Earths, 2008, vol. 26, pp. 749-752.
9. Gratz E., ReselR., Burkov A.T. [et al.]. The transport properties of RCo2 compounds. Journal of Physics: Condensed Matter, 1995, vol. 7, iss. 33, p. 6687.
10. Pecharsky V.K., MudrykY., Gschneidner Jr K.A. In-situ powder diffraction in high magnetic fields. Zeitschrift fur Kristallographie Supplements, 2007, vol. 2007, pp. 139-145.
11. Khmelevskyi S., Mohn P. The order of the magnetic phase transitions in RCo2 (R = rare earth) intermetallic compounds. Journal of Physics: Condensed Matter, 2000, vol. 12, iss. 45, p. 9453.
12. Pourarian F. Field induced volume magnetostriction in some rare earth-Co2 compounds. Physical Letters, 1978, vol. 67A, pp. 5-6.
13. LevitinR.Z., Markosyan A.S. Itinerant Metamagnetism. Soviet Physics - Uspekhi, 1988, vol. 31, pp. 730-749.
14. Andreev A.V. Handbook of Magnetic Materials, vol. 8 / ed. K.H.J. Buschow. Amsterdam, North-Holland, 1995. Pp. 59-187.
15. Gratz E., Markosyan A.S. Physical properties of RCo2 Laves phases. J. Phys.: Condens. Matter, 2001, vol. 13, pp. R385-R413.
16. Gschneidner Jr. K.A., Eyring L., Lander G.H. Handbook on Physics and Chemistry of Rare Earths, Elsevier Science B.V. 2001. vol. 32.
17. Singh N.K., Suresh K.G., NigamA.K., Malik S.K., CoelhoA.A., GamaS. Itinerant electron metamagnetism and magnetocaloric effect in RCo2-based Laves phase compounds. Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 2007, vol. 317, pp. 68-79.
Accepted article received 14.09.2020.
Corrections received 07.11.2020.
