Магнитный фазовый переход антиферромагнетизм-ферромагнетизм в сплавах железо-родий и использование его для магнитного охлаждения Аннаоразов, Мурад Подаевич

Введение к работе

Актуальность проблемы. Внимание исследователей к магнитным {аэовым переходам обусловлено тем. что на стыке фаз можно полнее сопоставить свойства различных магнитных состояний и получить сведения о механизме перехода, а изменения свойств материалов при фазовых переходах могут иметь прикладное значение.

Среди различных систем, обнаруживавших магнитные фазовые переходы I рода С1]. особое место занимает система Fe-Rh. Эта система интересна тем. что переход антиферромагнетизм-ферромагнетизм (АФМ-ФМ) в сплавах Fe-Rh вблизи эквиатомного состава сопровождается наибольшими из известных в твердом теле изменениями магнитных свойств. Резкое изменение физических свойств этих сплавов при переходе привлекает внимание в плане его использования в практических целях. Переход этот изоморфный, а область существования упорядоченной оцк фазы в сплавах Fe-Rh настолько обширна. что в широком интервале составов, температур, магнитных полей и механических нагрузок возможно систематическое исследование их свойств безотносительно к изменению кристаллической структуры.

Экспериментальному и теоретическому исследованию перехода АФМ-ФМ в сплавах Fe-Rh посвящено более 100 работ, но к настоящему времени нет теории, удовлетворительно описывавшей его механизм. Резкая зависимость размеров кристаллической решетки сплава FeRh от его магнитного состояния не может быть объяснена с помо-шьс простой обменно-стрикционной модели Киттеля [21.

Согласно зонной теории магнетизма условие существования ферромагнитного состояния принимает вид критерия Стонера

где I(q) - интеграл Стонера. N{SJ - плотность состояний с энергией Ферми. Аналогично, условие существования антиферромагнитного состояния принимает вид

КЭДч) > U ^гД^е %(j(q) - обобщенная восприимчивость, q - волновой вектор волны спиновой плотности антиферромагнитного металла. Электронная зонная структура проводящих магнетиков в ФМ и АФН состоянии должна характеризоваться высокой плотностью состояний на уровне Ферми и дополнительным максимумом в ajiq) [31.

Согласно современным взглядам переход сплава FeRh из антифер-

ромагнитного состояния в ферромагнитное связан с изменением плотности состояний вблизи уровня Ферми. Расчеты зонной структуры 141 подтверждает это предположение. Однако в настоящее время точность расчетов, основанных на тех или иных модельных представлениях» не позволяет однозначно решить проблему рассматриваемого перехода.

Противоречивая ситуация в объяснении механизма перехода осложняется значительным расхождением экспериментальных данных, полученных разными авторами на сплавах одного состава, что объясняется крайней чувствительностью свойств образцов сплавов Fe-Rh к их предыстории. Это затрудняет сопоставление данных и создание модели перехода.

Причиной сложившейся ситуации следует считать также отсутствие достаточно полного набора экспериментальных данных, полученных на объектах одного и того же состава. Так. несмотря на то. что со времени опубликования первых работ С 5] о резком изменении намагниченности сплавов Fe-Rh при нагревании прошло около ВО лет. до сих пор оставались неизученными магнитотепловые и упру-готешгавые явления, представляющие обширную информацию о термодинамике и кинетике перехода.

В связи с этим задача получения экспериментальных данных по все большему кругу физических свойств сплавов Fe-Rh не теряет актуальности. Об этом свидетельствует неослабевающий поток работ, в которых используется весь современный арсенал экспериментальных средств.

Целью работы являлось: экспериментальное исследование комплекса магнитных, механических, тепловых, магнитотепловых, упруго-тепловых и электрических свойств образцов сплава Fe-Rh одного и того re состава вблизи эквиатомного, прошедших идентичную термообработку; разработка на основе полученных данных феноменологической модели, непротиворечивым образом описывающей переход антиферромагнетизм - ферромагнетизм в этих сплавах: исследование эффективности применения перехода антиферромагнетизм - ферромагнетизм в сплавах Fe-Rh для магнитного охлаждения.

Отличительной чертой работы является то, что для надежного сопоставления результатов различных измерений и интерпретации их в рамках той или иной модели практически все исследования в ней проведены на образцах одного и того же сплава - Fe._aRh.,.

шиє результаты:

в области 1233 -1371 К обнаружены немонотонные (независящие от температуры) изменения электросопротивления сплава Fe-Rh, связанные со структурным переходом оцк-гцк;

найдены технологические приемы, позволяющие получать близкий к модельному (изотермическому) воспроизводимый магнитный фазовый переход I рода антиферромагнетизм - ферромагнетизм в сплавах Fe-Rh;

экспериментально исследованы температурные и полевые зависимости изменения температуры сплава FeRh при адиабатическом индуцировании в нем перехода АФМ-ФМ магнитным полем; приложение поля вблизи критической температуры перехода приводит к охлажде-нию сплава, а снятие поля - к его нагреву; максимальное понижение температуры закаленного сплава Fe_<9Rh_s, в поле 19.5 кЭ достигает гигантских значений ~13 К, а отожженного - ~А К; в полях выие 10 кЭ наблюдается сильная невоспроизводимость результатов измерения магнитокалорического эффекта в области его пиковых значений, обусловленная эффектом термомагнитного циклорования: многократное приложение поля приводит к уменьшению пиковых значений и стабилизации их около 9 К;

введены понятия предельного магнитного поля а предельного растягивающего напряжения как поля и напряжения, необходимого для индуцирования перехода во всем объеме сплава Fe-Rh в адиабатических условиях; предельные поле и напряжение линейно увеличиваются с уменьшением температуры и существенно превышают критическое поле и критическое напряжение, определяемые как поле и напряжение, необходимые для индуцирования перехода в изотермических условиях; получены формулы для расчета температурных зависимостей предельного поля и предельного напряжения; влияние термомагнитного циклирования в адиабатических условиях на параметры перехода АФМ-ФМ в сплаве FeRh проявляется в полях выде предельного;

по экспериментальным данным измерений теплоемкости и магнитокалорического эффекта построены температурные зависимости энтропии (S-T диаграмма) сплава FeRh в отсутствие поля и в различных магнитных полях;

экспериментально исследованы температурные зависимости изменения температуры сплава FeRh при адиабатическом индуцировании в нем магнитного фазового перехода I рода антиферромагнетизм -

ферромагнетизм одноосными растягивавшими напряжениями; припою ние напряжения вблизи критической температуры перехода приводі к охлахденш сплава, а снятие - к его нагреву; максимальное п< нихение температуры закаленного сплава Fe_wRh_sl при прилохени

напряжения ~5'10⁹ дин/cw² достигает гигантских значений ~5 К; данных измерений эластокалорического и магнитокалорического э фектов сделан вывод об аномально высоком изменении энтроп сплава FeRh при переходе АФМ-ФМ;

расчитанньв по экспериментальной S-T диаграмме отношен изменений энтропии сплава Fe-Rh при переходе АФМ-ФМ к критич« ким температурам перехода не зависят от температуры и близки значениям изменения коэффициента электронной теплоемкости, по* ченным другими авторами; отсюда следует, что изменение общей а тропии сплава FeRh при переходе антиферромагнетизм - феррсмап тизм обусловлено в основном изменением его электронной знтропі этот результат свидетельствует о решающей роли при переходе А< ФМ в сплаве FeRh изменения электронной части энтропии; в наст щей работе этот вывод сделан на основе прямого определения изі нения энтропии одного и того хе сплава FeRh по данным измере теплоемкости и магнитокалорического эффекта;

из экспериментальных данных по температурным зависимое теплового расширения и модуля Енга расчитана температурная за симесть разности магнитоупругих энергий сплава Fe₄₉Rh₅, в ант ферромагнитном и ферромагнитном состояниях; показано, что маг тоупругий вклад в изменение энтропии сплава при переходе ан ферромагнетизм - ферромагнетизм на порядок меньше общего изме ния энтропии, откуда сделан вывод о том, что мэгнитоупругое е имодействие не играет решающей роли при переходе АФМ-ФМ в саг FeRh;

.- предлохена феноменологическая модель перехода АФМ-ФМ в лаве FeRh, учитывающая экспериментально установленную в нас щей работе линейную зависимость от температуры скачка общей ; ропии сплава, что эквивалентно учету изменения электронной : ропии; получены вырахения для основных термодинамических пар. тров, характеризующих магнитный фазовый переход I рода в тве теле: изменения параметра кристаллической решетки, свобо энергии, общей, электронной и решеточной энтропии, коэФфиии электронной теплоемкости, сдвига критической температуры пер да всесторонним сжатием и магнитным полем, изменения темпера

при адиабатическом индуцировании перехода внешними воздействиями ; расчитанныэ по предложенной модели значения параметров перехода согласуется с полученными экспериментальная данными;

- построены термодинамические магнитньв и механические тепло-насосные и холодильные циклы, основанные на поглощении скрытой теплоты перехода АФМ-ФН в сплавах Fe-Rh и на индуцировании этого перехода нагнитньм полем и растягивавшими напряжениями; получены расчетные формулы для отопительного и холодильного коэффициента этих циклов: высокие расчетные и экспериментальные значения этих коэффициентов выдвигает сплавы Fe-Rh в ряд наиболее перспективных хладоагентов магнитокалорических и эластокалорических тепло-" вых насосов и рефрижераторов.

Практическая ценность работы.

1. Изучено влияние различных режимов термической и термомаг-китной обработки на положение области температур и параметры перехода АФМ-ФМ в сплавах Fe-Rh, что важно при создании устройств, в которых эти сплавы используются в качестве чувствительных элементов (рабочего тела).

2. При индуцировании перехода АФМ-ФН в сплавах Fe-Rh магнит- ' ным полем и растягивзощими напряжениями обнаружены гигантский магнитокалорический и эластокалорический эффекты, что позволило предложить эти сплавы в качестве рабочего тела магнитной холодильной машины.

3. Построены энтропийно-температурныг диаграммы сплава FeRh, необходимые для определения энергетической эффективности использования этого сплава в качестве рабочего тела различных энерго-преобразуших устройств.

І. Разработаны принципиальны* схемы магнитного и механического охлаждения, основанные на магнитном фазовом переходе I рода антиферромагнетизм - ферромагнетизм в сплавах Fe-Rh. Разработана методика построения термодинамических мзгнитньк в механических теплонасосных и холодильных циклов и получены расчетные формулы . для отопительного и холодильного коэффициентов этих циклов.

Проведенные исследования позволяет вынести на оаииту следующие положения:

1. На основе результатов закалочных экспериментов сделан вывод о том, что зародьиами, на которых происходит развитие перехода антиферромагнетизм - ферромагнетизм I рода в сплавах Fe-Rh, является зерна высокотемпературной гцк фазы.

-в.-

2. Зкспериментальныз данные магнитных измерений в сочетании с обнаруженными гигантскими изменениями теилературы сплава FeRh при индуцировании в нем перехода антиферромагнетизм - ферромагнетизм магнитным полем и растягивающими напряжениями в адиабатических условиях свидетельствует об аномально высоком изменении энтропии сплава^- при переходе.

.3. Магнитоупругий вклад в изменение энтропии сплава при переходе антиферромагнетизм - ферромагнетизм на порядок меньше общего изменения энтропии. Магнитоупругое взаимодействие не играет решавдей роли при переходе АФМ-ФМ в сплаве FeRh.

4. Изменение общей энтропии сплава FeRh при переходе антиферромагнетизм - ферромагнетизм обусловлено в основном изменением его электронной энтропии. Решаюшув роль при переходе АФМ-ФМ в сплаве FeRh играет изменение электронной части энтропии.

5. Для адиабатического индуцирования перехода антиферромагнетизм - ферромагнетизм в сплаве FeRh необходимо приложение предельного поля или предельного растягивавшего напряжения, существенно превыиашего критическое поле перехода и критическое напряжение. Получены формулы для расчета температурных зависимостей предельного поля и предельного напряжения.

6. Предложена феноменологическая модель, непротиворечивым образом описывающая магнитный фазовый переход I рода антиферромагнетизм - ферромагнетизм в сплаве FeRh, в которой учтено изменение электронной части энтропии сплава при переходе.

7. С точки зрения энергетической эффективности сплавы Fe-Rti является перспективными хладоагентами магнитокалорического и эластокалорического теплового насоса и холодильной машины.

Достоверность результов настоящей диссертационной работы определяется современными точными методиками проведенных исследований, комплексным характером измерений, неоднократной проверкой воспроизводимости результатов, хорошим согласием полученных экспериментальных данных с данными других исследователей.и с результатами теоретических оценок, проведенных с помощьс современны* физических моделей.

Апробация работы. Результаты, изложенные в работе, докладывались и обсуждались на II Всесокзном семинаре "Магнитные фазовьи переходы и критические явления" С Махачкала, 1G83), V Всесоюзної совещании "Диаграммы состояния металлических систем" (Москва, 1989), V Всєсоезном симпозиуме "магнетизм редкоземельных соеди

-a -

нении" (Москва, 1989), I и П Республиканских межвузовских научных конференциях "Актуальные проблемы физика твердого тела, радиофизики и теплофизики" (Ашхабад, 1991, 1993), XIX Всесовзной конференции по физике магнитных явлений (Ташкент, 1991), XIII Всесовзной школе-семинаре "Новь магнитные материалы микроэлектроники" (Астрахань, 1992).

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 26 работах. Список основных публикаций приведен в конце автореферата.

Структура и объем диссертации. Лиссертация состоит из введения, вести глав, заключения и списка цитируемой литературы Объем работы - 302 страницы, вклочая 97 рисунков и 9 таблиц. Список литературы вклвчает 2Ш наименований.