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文/大壮

编辑/大壮

简介

磁制冷机（MR）作为气体制冷机的替代品已变得非常重要，因为其耗电量低、设备更环保、噪音更低、冷却过程效率更高。MR的基本思想取决于在磁性材料中使用磁热效应（MCE）。该MCE是施加磁场（ΔH）突然变化时产生的效应，随后是磁熵变化（∆SM）和温度的变化。随后，人们认为，通过使用多种类型的磁体，可以提高MR的效率，这些磁体在低温和室温下具有MCE，例如磁性合金、磁性复合材料、铁氧体、锰氧化物、稀土基材料和其他类型。

在通常的MCE中，磁性材料中的冷却操作是通过去除外加磁场进行的绝热消磁的结果。相反，磁性材料可以通过增加外部磁场而实现的绝热磁化来冷却。这种效应被称为逆MCE。这种逆MCE可以发生在超导体中的反磁顺磁转变的温度范围内。因此，建议在低温系统中的不同温度范围内使用不同类型的超导体。

由于检测到MgB2是一种过渡温度（Ttrans）为39 K的金属超导体材料，因此有极大的努力来检测其性能并改善其物理性质。

由于MgB2的高熟练度，它比不同类型的铁磁体和39 K的Ttrans更能捕获磁场，因此MgB2被用于许多重要的应用中，如磁体，这使其成为在低温系统中开发的实用材料，以及用于电动飞机加速器和超导电机的超导磁体。

此外，MgB2在不使用液氦（LHe）的磁共振成像（MRI）系统中非常重要，因为近年来LHe的价格快速上涨，导致MRI系统非常昂贵。Yudanto等人在不同烧结温度下通过机械合金化制备了MgB2超导体，表明制备的样品中MgB2相的含量百分比提高，在850°C和900°C烧结的样品中超过90%。此外，他们还发现，在850°C和900°C温度下烧结的样品中，MgB2作为超导体的行为得到了增强。根据这些值得注意的结果，其目的是在本工作中研究MgB2的MCE。在这项研究中，通过模拟M（T）曲线，使用现象学模型（PM）来推断MgB2的热磁性，得出∆SM、热容变化（ΔCP，H)和相对冷却功率（RCP）。

MCE的理论方面

根据PM，MgB2在磁转变过程中的磁化强度（M）与温度（T）的关系可通过以下方式模拟：

公式中，ΔM=Mi−Mf（Mi和Mf分别为反磁性顺磁性过渡区磁化强度的初始值和最终值，如图所示。1），A=2（B−Sc）ΔM，B是（dMdT）的平均值)在抗磁状态下，Sc是dMdT的最大值C=（Mi+Mf2）−BTrans在这项工作中，我们可以观察到Mf≈0然后ΔM=Mi

结果和讨论

开放符号和实线分别表示参考MgB2的M（T）曲线的实验数据和使用方程（1）的模拟数据。在700、800、850和900°C温度下烧结的MgB2样品分别命名为MB600、MB700、MB800、MB850和MB900，如图2所示。

在0.01T磁场下，MgB2的实验和模拟M（T）之间存在令人信服的一致性，推断PM是适合拟合MgB2的M（T）曲线的模型。MgB2显示出从反磁性状态到顺磁性状态的急剧转变。这种急剧转变允许ΔSMMgB2的值将被最大化，但它覆盖了低温范围。该ΔSMMgB2在0.01T的绝热磁场位移下的磁化强度可如下评估：

图3显示了ΔSM的模拟温度依赖性对于MgB2，在0.01T的绝热磁场位移下，通过使用等式（2）计算。这种反磁性顺磁性转变导致磁自旋无序增加，导致ΔSM和ΔSM以在Ttrans处达到峰值。

很明显，MB700样品的ΔSMax值最低由于其MgO含量高于其他样品的MgO含量。此外，MB700样品具有从临界温度间隙和残余电阻率比的值检测到的显著缺陷。有一个被称为RCP的必要参数，它是一种衡量材料在理想MR循环中热沉和冷沉之间的相对高温差下承载热量的能力的指标。MgB2的RCP可以由∆SMax和半最大全（δTFWHM)∆SM曲线如下：

表1还显示了在低磁场变化值下，MgB2样品的MCE参数与先前工作中其他成分的相应MCE参数之间的比较。MgB2样品的MCE参数明显更大，与表1中所示的La1-xCdxMnO3、La1.25Sr0.75MnCoO6、Gd1−xCaxBaCo2O5.5、Ni58Fe26Ga28、Ni2+xMn1−xGe、Ge0.95Mn0.05膜和（001）取向MnAs膜的一些MCE参数相当。最后，MCE和电加热效应的结合为当代制冷技术的实际应用创造了机会。

结论

考虑到烧结温度对MCE的影响，通过PM对MgB2样品的MCE进行了详细研究。模拟结果表明，该PM是计算MgB2样品在反磁顺磁转变温度范围内的热磁性质的有价值的模型，证实了MgB2样品的MCE是逆型的。此外，将MgB2样品的MCE与其他一些已报道的磁性材料的MCE进行了比较，得出结论，MgB2样品可能是低温下MR的一个有前途的共享候选者。这项研究将在未来扩展，以利用各种外部效应优化MgB2样品的磁性。