R(Fe,Mo)_(12)型稀土永磁材料热膨胀反常现象研究

采用x射线粉末衍射方法测量了不同温度下R(Fe,Mo)12化合物(R=Nd,Y,Dy)的晶格常数,对沿不同轴向的热膨胀反常程度进行了计算.分析认为R(Fe,Mo)12化合物热膨胀反常主要取决于FeFe相互作用,根据Nd(Fe,Mo)12的结构参数,不仅较短的FeFe键负相互作用对热膨胀反常有贡献,8j8j等较强的FeFe正相互作用也有很大贡献.另外还讨论了第三元素Mo的替代作用影响热膨胀反常的机理.

反常热膨胀功能材料的研究进展

固体材料通常会随温度变化产生膨胀或收缩行为,然而,材料的热胀冷缩会降低精密部件的结构稳定性和安全可靠性,甚至破坏材料的功能特性。在光学仪器、微电子器件、航空航天等高技术领域,我们迫切需要形状和尺寸不随温度变化的材料,以保证其构件具有高的尺寸稳定性、精密性和长的使用寿命,而低(近零)热膨胀材料的微观尺寸随温度变化近似保持不变,可以在特定温度区域内保持体积既不膨胀也不冷缩,负膨胀材料则是一种具有"热缩冷胀"性能的材料,因此此类材料的研究日益受到重视。概述了反常(负或近零)热膨胀材料的研究与发展历程,主要针对目前国内外研究较多的几类负热膨胀体系的研究工作做了论述,并探讨了该研究领域仍存在的问题以及未来可能的发展方向。

Er_2AlFe_(12)Mn_4化合物的反常热膨胀

利用X射线衍射和磁测量手段对Er_2AlFe_(12) Mn_4化合物磁性和结构进行了研究,结果表明室温下Er_2AlFe_(12)Mn_4化合物具有单相的Th_2Ni_(17)型结构,其居里温度约为230K。在106～652K温度范围内对Er_2AlFe_(12)Mn_4化合物做变温X射线衍射测量,结果表明在236～259K的温度区间出现反常热膨胀现象,其平均热膨胀系数α≈-2．03×10^(-5)/K。

相变调控、磁热效应和反常热膨胀

相变作为广泛存在于自然界中的一种现象很早就受到了广泛的关注,并且已经被应用于相变制冷、相变存储、相变储能和负热膨胀等领域中.基于磁热、电热和机械热效应不断发展起来的固态制冷技术具有环保、高效、低噪声和易小型化等优点,被视为替代汽压缩制冷的新型制冷技术.其中,磁热效应是研究历史最悠久的一种.然而,单磁场驱动磁热效应的诸多不足限制了其固态制冷应用,如热效应幅度不够高、滞后损耗大、制冷温跨窄等,因此多场调控和多卡效应应运而生.本文主要介绍笔者团队近期开展的多场调控磁热效应、以及磁热材料的反常热膨胀行为的研究.

水反常热膨胀特性的简易实验

通过改变带细玻璃管的烧瓶中水的温度导致水位变化来粗略演示水的收缩情况.为较准确测定水最大密度时的温度,将2个温度计放在水下较浅处和较深处,分别测量当温度经由4℃升高时和由4℃降低时两温度计的示数,进而验证水的反常热膨胀特性.

Pr_2AlFe_(13)Mn_3化合物的反常热膨胀性质

通过X射线衍射及磁测量实验研究了Pr2AlFe16-xMnx化合物的结构.结果表明,该系列化合物具有Th2Zn17型结构;随着锰替代量的增加,化合物的单胞体积呈现先小后大的非线性增加,这表明该类化合物在其磁相变点附近存在较大的正的本征磁致伸缩.进一步对Pr2AlFe13Mn3化合物进行的变温X射线衍射研究表明,该化合物在其居里点附近（180～198K）存在负热膨胀现象,其热膨胀系数为-3.6X10-4K-1.本文对这种性质进行了讨论.

Er_2AlFe_(16-x)Mn_x化合物的磁性及反常热膨胀

通过X射线衍射及磁测量手段研究了Er2AlFe16-xMnx(x=1,2,3,4,6,8)化合物的结构和磁性.研究结果表明Er2AlFe16-xMnx化合物具有六角相的Th2Ni17型结构.采用X射线热膨胀测定法在103—654K的温度范围内测量了Er2AlFe16-xMnx(x=1,2,3,4)化合物的热膨胀性质,发现这些化合物在低温下存在热膨胀反常现象,在居里点附近具有负膨胀性质.对自发磁致伸缩的研究结果表明Er2AlFe16-xMnx化合物中存在着较强的各向异性的自发磁致伸缩,低温下自旋重取向的出现使得化合物的自发体磁致伸缩有所增强.磁测量结果表明Mn的替代导致Er2AlFe16-xMnx化合物的居里温度及自发磁化强度急剧下降,并且使得化合物的磁晶各向异性发生显著改变.

石英安瓿下降法生长硫镓银晶体的研究

分析了硫镓银晶体的反常热膨胀,主要是由于晶体结构中Ag,Ga,S三种原子形成的四面体随着温度变化发生了畸变;通过采用改变生长安瓿的直径和壁厚,并在生长安瓿外面加一层套管的方法来减小晶体在降温过程中的反常热膨胀作用,有效避免了反常热膨胀可能造成的晶体破裂现象,生长出了完整性较好的大尺寸硫镓银单晶体。

Gd_2Fe_(14)Cr_3化合物的本征磁致伸缩

通过X射线衍射及磁测量手段研究了Gd2Fe14Cr3化合物的热膨胀性质及本征磁致伸缩性质。研究结果表明，Gd2Fe14Cr3化合物在294～692K范围内，具有单相的Th2Zn17型菱方相结构；磁测量的研究结果表明，Gd2Fe14Cr3化合物的居里温度约为540K，比其母合金Gd2Fe17高约30K；在452～512K温度范围内Gd2Fe14Cr3化合物具有负热膨胀性质，其热膨胀系数为-1．6×10^-5/K；对本征磁致伸缩的研究结果表明，Gd2Fe14Cr3化合物中存在着较强的各向异性的本征磁致伸缩，而且由实验数据可以看出对体磁致伸缩的贡献主要发生在c轴上。

橡皮筋热机的设计和制作

论述了橡皮筋热机的设计原理。

Mn替代对Dy_2AlFe_(16-x)Mn_x化合物的结构和磁性的影响

通过X射线衍射及磁测量手段研究了Dy_2AlFe_(16-x)Mn_x化合物的结构和磁性.研究结果表明Dy_2AlFe_(16-x)Mn_x化合物具有六角相的Th2Ni17型结构.对x=1,2的样品采用X射线热膨胀测定法在104—647K的温度范围内测量了其热膨胀性质,发现这些化合物在低温下存在热膨胀反常现象,在居里点附近出现负膨胀性质.对自发磁致伸缩的研究结果表明Dy_2AlFe_(16-x)Mn_x化合物中存在着较强的各向异性的自发磁致伸缩,随着Mn含量的增加,其低温下的自发体磁致伸缩减弱.磁测量结果表明Mn的替代导致Dy_2AlFe_(16-x)Mn_x化合物的居里温度及自发磁化强度急剧下降.