稀土基磁性单晶及织构多晶材料的制备及其各向异性磁热效应的研究

Magnetic refrigeration based on magnetocaloric effect has great application value. Recently, magnetic refrigeration by rotating the magnetic materials has attracted much attention due to its simpler structure than that by the translational motion of the materials.The key point for its practical application is the discovery of magnetic refrigerants with high efficiencies. Based on our preliminary results that crystallographic texture of SmNiC2 compound leads to the great change of magnetocaloric effect, in this project we will prepare orthorhombic structural polycrystalline and single crystalline compounds RNiC2,RTM, and RAlO3 and so on. The influence of technical parameters related with arc-melting and melt spinning methods on the crystallographic texture of the polycrystalline compounds will be systemically investigated and characterized. Moreover, based on single crystalline materials, the fundamental problems, such as the formation mechanism of crystallographic texutre and magnetocrystalline anisotropy, the mechanism of magnetocaloric effect from crystallographic texture and magnetocrystalline anisotropy will be studied by the experimental analysis combined with theoretical calculations. Finally, magnetic anisotropic refrigerants with excellent magnetocaloric performances are fabricated, which will accelerate the realization of magnetic refrigeration by rotating the magnetocaloric materials.

基于磁热效应的磁制冷技术具有巨大的应用价值。最近几年来旋转样品磁制冷技术因结构简单易行而引起人们的关注。优质磁热材料的发现是该技术实用的关键。基于我们在SmNiC2块材中发现织构引起磁热效应巨大变化这一前期工作，本项目拟以正交结构的RNiC2、RTM、RAlO3等多晶、单晶材料为研究对象，改变电弧熔炼、熔体快淬等工艺参数调控材料的织构，并加以表征。分析影响多晶材料中织构强弱的因素以及织构影响各向异性磁热效应的规律。同时，利用单晶材料，采用实验与理论相结合的方法弄清织构与磁晶各向异性产生的物理机理，以及二者对磁性，尤其对磁热效应的影响机理，最终获得具有优异磁热效应性能的各向异性磁制冷材料，加快旋转样品磁制冷技术的实用化进程。

基于磁热效应的磁制冷技术具有巨大的应用价值。最近几年来旋转样品磁制冷技术因结构简单易行而引起人们的关注。优质磁热材料的发现是该技术实用的关键。多晶材料中织构引起的磁热效应差异以及单晶材料中的各向异性磁热效应可以满足这一技术的要求，寻找优质的各向异性磁制冷材料并研究其中的物理机理非常关键且必要。因此，对这一课题的研究具有重要的现实意义。.我们研究了条带状RCoSi(R=Ho,Er)化合物的磁性、磁热效应及磁各向异性。观察到HoCoSi和ErCoSi化合物分别在13.7K和5.5K发生了铁磁到顺磁的二级相变，用XRD分析不同速度甩带下的HoCoSi，随着冷却速度的增加，择优取向从（301）向（200）过度。在外场H=0~5T磁场变化范围内， HoCoSi平行条带和垂直条带两个方向的熵变分别为17J/kg K和 11J/kg K ；制冷能力分别为290 J/kg和160 J/kg。说明RCoSi材料不仅具有大的磁热效应和制冷能力，更重要的是它们具有明显的各向异性。.在此基础上，我们还研究了RAlO3(R= Dy, Er)单晶的磁性和磁热效应。沿ErAlO3单晶a,b,c晶轴施加磁场，磁化强度表现出巨大的各向异性。这导致该氧化物具有大的各向异性磁热效应。在0-5 T磁场变化下，沿a,b,c轴分别加磁场时，磁熵变表现出明显的各向异性。由于bc面内，b和c轴的磁各向异性最强，所以bc面内样品从b转到c有望获得大转角磁热效应，所以我们重点研究了这个方向。研究结果表明：在5 T磁场下，在bc面内样品从b转到c轴时，14 K时的转角磁熵变达9.7 J/kg K。进一步的理论分析表明，各向异性磁热效应部分源于磁晶各向异性磁热效应。对于DyAlO3单晶，在5 T磁场下，在ac面内样品从c转到a轴时，4.5 K时的转角磁熵变高达19.7 J/kg K。深入分析发现磁晶各向异性和磁场诱导的反铁磁-铁磁变磁转变导致了大的转角磁熵变。显然，DyAlO3、ErAlO3单晶是优质转角磁制冷候选工质。.进一步，我们还研究了多种稀土基化合物、氧化物如RCoGe、La1. 4Ca1. 6Mn2O7 和 La1. 3Eu0.1Sr0.05Ca1.55Mn2O7、RCrO4、R2Mo2O7的磁性和磁热效应，开发新型的磁制冷材料。