一种用于计算磁晶耦合材料磁驱晶格熵变的方法技术

本发明专利技术公开了一种用于计算磁晶耦合材料磁驱晶格熵变的方法，包括：确定磁晶耦合材料相变过程中各磁场下高场相结构的体积分数λ(H)；分别获取磁晶耦合材料零场相和高场相的德拜温度，依据德拜模型计算其零场相和高场相的晶格熵；建立零场相和高场相两相共存模型，计算等温条件下材料在相变温区内不同磁场下的晶格熵S

【技术实现步骤摘要】
一种用于计算磁晶耦合材料磁驱晶格熵变的方法


[0001]本专利技术涉及磁制冷材料领域，具体说是一种用于计算磁晶耦合材料磁驱晶格熵变的方法。

技术介绍

[0002]近年来，以磁制冷为代表的新型固态制冷技术因其具有绿色环保、低碳高效、稳定可靠、轻便低噪等优点受到世界各国的日益重视。磁制冷是一种基于材料磁热效应的制冷方式，即在变化的磁场作用下，磁性材料的磁矩排列方式随之改变，导致材料自身释放和吸收热量，通过合理的循环设计最终可实现制冷。
[0003]一直以来，具有磁晶耦合特征的一级磁相变材料被认为是磁制冷的主要候选工质。这类材料中的磁晶耦合表现为发生磁性相变时也同步发生晶体结构相变(或晶格常数突变)，即发生磁结构耦合相变(或磁弹相变)。因在相变点附近有着剧烈的磁化强度变化和晶格序变化，所以这类材料中的相变很容易被磁场、压力或温度等不同物理场驱动，呈现出丰富的磁热、压热、弹热、磁性形状记忆和负热膨胀等效应。我们知道磁晶耦合材料在磁场驱动下的总熵变主要由磁有序变化导致的磁熵变ΔS
M
(H)和晶格序变化导致的晶格熵变ΔS
L
(H)构成。但是我们注意到材料中的最大摩尔磁熵Rln(2J+1)(R为气体常数)受限于总角动量量子数J，即使采用具有高J的稀土磁性材料作为制冷工质，所表现出的纯磁熵变也十分有限。而晶格熵变通常与磁性材料发生相变时所伴生的体积变化相关联，理论上并没有上限。因此最大化地挖掘晶格熵变是提高磁晶耦合合金磁制冷性能的重要手段之一。
[0004]当前，有关晶格熵变的研究多采用温度驱动相变的方法，其存在的问题主要包括：(1)这类方法只是计算了相变前后两种稳定相结构之间的晶格熵变，所以我们并不能获悉相转变尚未结束时(比如两相共存时)的晶格熵变化；(2)没有考虑磁相变过程中的磁化历史，因而不能直接确定磁驱晶格熵变大小以及晶格熵变达到饱和时所需的最小磁场。实际上，在特定温度下，磁驱结构相变完成以后，晶格熵不再变化。所以并不需要一味地利用很强的磁场来驱动晶格熵变，有时比较小的磁场就能使晶格熵变达到饱和状态。因此，有必要发展一种可以确定磁晶耦合材料磁驱晶格熵变的计算方法，为提高磁晶耦合合金磁制冷性能提供必要的解决方案。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种两相共存模型，用于计算磁晶耦合材料在相转变过程中不同磁场驱动的晶格熵变大小，并能确定晶格熵变达到饱和状态时所需的最小磁场以及材料最大晶格熵变所处温区。
[0006]本专利技术采用的技术方案为：一种用于计算磁晶耦合材料磁驱晶格熵变的方法，包括以下具体步骤：
[0007]步骤1，确定磁晶耦合材料相变过程中各磁场下高场相结构的体积分数λ(H)；
[0008]步骤2，分别获取磁晶耦合材料零场相和高场相的德拜温度和依据德拜模
型计算其零场相和高场相的晶格熵和
[0009]步骤3，建立零场相和高场相两相共存模型，计算等温条件下材料在相变温区内不同磁场下的晶格熵S
L
(H)；
[0010]步骤4，计算磁晶耦合材料相转变过程中各磁场下的磁驱晶格熵变ΔS
L
(H)，确定ΔS
L
(H)趋于饱和时所需的最小磁场，并找出最大晶格熵变所在温区。
[0011]进一步地，在步骤1中，磁晶耦合材料在相变过程中高场相结构的体积分数可由磁场X射线衍射谱、磁场中子衍射谱或相场模拟等方法获得。
[0012]进一步地，在步骤2中，根据德拜模型晶格熵计算公式，计算得到磁晶耦合材料零场相和高场相的晶格熵和基于德拜模型的晶格熵计算公式如下：
[0013][0014]其中，N为材料化学式原子数，k
B
为玻尔兹曼常数，T为温度，Θ
D
为材料的德拜温度，e是自然对数的底数，其值为2.718；x是积分变量，它的上下限分别为0和Θ
D
/T。
[0015]进一步地，步骤3中，在相变温区内，若外加磁场为0，此时磁晶耦合材料完全处于零场相结构，则将材料的晶格自由能记为当外加磁场足够强，材料则完全转变为高场相结构，这时材料的晶格自由能写为而在较低的磁场H下，材料相转变尚未结束，正处于低场相和高场相两相共存区。设此时材料中包含的高场相体积分数为λ(H)(0≤λ(H)≤1)，则材料中相应的高场相晶格自由能为零场相晶格自由能为因此，较低磁场H下材料处于两相共存区时的总晶格自由能F
L
(H)则为：
[0016][0017]其中，λ(H)为材料高场相结构体积分数，和分别为材料零场相结构和高场相结构的晶格自由能。晶格熵可以由得到，则在磁场H下，材料处于两相共存区时的总晶格熵S
L
(H)为:
[0018][0019]其中，λ(H)为材料高场相结构体积分数，和分别为材料零场相结构和高场相结构的晶格熵。因此可通过建立两相共存模型计算磁晶耦合材料在相变温区内不同磁场下的晶格熵S
L
(H)。
[0020]进一步地，步骤4中，升场过程中，在相变温区内的磁驱晶格熵变ΔS
L
(H)为各磁场下的晶格熵与零场时晶格熵的差值；而降场过程中，在相变温区内的磁驱晶格熵变ΔS
L
(H)为各磁场下的晶格熵与饱和场下晶格熵的差值。
[0021]本专利技术的有益效果：
[0022](1)本专利技术提供了一种用于计算磁晶耦合材料磁驱晶格熵变的方法。从计算得到
diffractometer for in situ structural studies in magnetic fields from 0 to 35kOe between 2.2 and 315K,Rev.Sci.Instrum.,751081
‑
1088(2004))。
[0033]步骤2，分别获取磁晶耦合材料零场相和高场相的德拜温度和依据德拜模型计算其零场相和高场相的晶格熵和
[0034]实施例零场相的德拜温度高场相的德拜温度其数据源自2001年发表在期刊“物理评论B”名为“Gd5Ge4的电阻率，电热容和电子结构”第64期：235103(E.M.Levin,V.K.Pecharsky,K.A.Gschneidner,G.J.Miller,Electrical resistivity,electronic heat capacity,and electronic structure of Gd5Ge4,Phys.Rev.B,64235103(2001))。
[0035]根据德拜模型晶格熵计算公式，采用数值计算方法分别计算出实施例在零场相和高场相的晶格熵和基于德拜模型的晶格熵计算公式如下：
[0036][0037]其中，N为实施例化学式原子数；k
B
为玻尔兹曼常数；T为温度；Θ
D
为实施例的德拜温度；e是自然对数的底数，其值为2.718；x是积分变量，它的上下限分别为0和Θ
D
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于计算磁晶耦合材料磁驱晶格熵变的方法，其特征在于：包括以下具体步骤：步骤1，确定磁晶耦合材料相变过程中各磁场下高场相结构的体积分数λ(H)；步骤2，分别获取磁晶耦合材料零场相和高场相的德拜温度和零场相即ZF相，高场相即HF相，依据德拜模型计算其零场相和高场相的晶格熵和步骤3，建立零场相和高场相两相共存模型，计算等温条件下材料在相变温区内不同磁场下的晶格熵S
L
(H)；步骤4，计算磁晶耦合材料相转变过程中各磁场下的磁驱晶格熵变ΔS
L
(H)，确定ΔS
L
(H)趋于饱和时所需的最小磁场，并找出最大晶格熵变所在温区。2.根据权利要求1所述的一种用于计算磁晶耦合材料磁驱晶格熵变的方法，其特征在于：所述步骤1中，磁晶耦合材料在相变过程中高场相结构的体积分数由磁场X射线衍射谱、磁场中子衍射谱或相场模拟方法获得。3.根据权利要求1所述的一种用于计算磁晶耦合材料磁驱晶格熵变的方法，其特征在于：所述步骤2中，根据德拜模型晶格熵计算公式，计算得到磁晶耦合材料零场相和高场相的晶格熵和基于德拜模型的晶格熵计算公式如下：其中，N为材料化学式原子数；k
B
为玻尔兹曼常数；T为温度；Θ
D
为材料的德拜温度；e是自然对数的底数，其值为2.718；x是积分变量，它的上下限分别为0和Θ
D
/T。4.根据权利要求1所...

【专利技术属性】
技术研发人员：张正明，王敦辉，胡鹏强，龚健虎，张成亮，汪鸿昌，
申请(专利权)人：杭州电子科技大学，
类型：发明
国别省市：