室温磁致冷GdSiGe系合金的磁相变机理的相关理论研究及纳米化计算

【摘要】： 在了解和分析国内外关于室温磁致冷材料，特别是近年来国际上取得突破性进展的GdSiGe合金的大量研究文献的基础上，本文首先比较全面地综述了这类磁致冷材料的发展现状及趋势，然后从微观、唯象、纳米三个不同的方面深入研究了具有巨磁热效应的室温磁致冷材料GdSiGe系合金，即：在微观理论方面将磁学中重要的Ising模型地应用到GdSiGe系合金，统一计算了各维晶格的磁有序温度，严格比较了Ising磁性晶格系统中的两种不同类型的耦合相互作用；在唯象理论方面将Landau-Devonshire理论应用到GdSiGe系合金的磁相变，合理建立了GdSiGe系合金磁相变的唯象理论，正确描述了GdSiGe合金在实验中表现出的主要实验结果；在纳米理论方面将材料的纳米化计算应用到室温磁致冷材料GdSiGe系合金，仔细研究了在一定物理条件下纳米微晶系统磁熵变的最大值。本研究取得了具有一定理论价值和工程价值的创新性研究成果，达到了预期目标，从而对加深该类磁致冷材料的认识，促进这方面理论的发展，以及对研制实用性新型室温磁致冷材料、加快室温磁制冷技术的商业化进程等方面，都具有比较重要的工程意义和科学意义。 一、成功地将磁学中重要的Ising模型地应用到GdSiGe系合金，首次统一且方便地计算了一至三维Ising磁性晶格系统的磁相变温度，定性地估算了GdSiGe系合金中磁矩之间的相互作用耦合参数，进一步分析了影响该合金磁性能和磁相变的一些可能因素，从而为研究室温磁致冷材料的微观机理打下了良好的理论基础。 二、首次严格且详细地比较了Ising磁性晶格系统中的两种类型的耦合相互作用，即通常晶格中的最近邻与次近邻磁矩之间的耦合相互作用、及两 四川大学博士学位论文 链晶格中的链间与链中磁矩之间的祸合相互作用，清楚了解了GdsiGe系合金 中的祸合相互作用对其磁行为的影响，包括不同温区中祸合相互作用的作用 程度、以及不同类型祸合相互作用的大小，从而为从微观上研究室温磁致冷 材料的相变机理提供了理论依据。 三、成功地将Landau一Devonshire理论应用到GdsiGe系合金的磁相变，首 次给出了一级磁相变所分别对应的热滞后和磁滞后的临界外场和临界温度、 及相应的磁相图，不仅清楚描述了GdsiGe系合金磁相变的场诱导行为，而且 合理描述了GdsiGe系合金磁相变的相变温度的场驱动行为，这是建立 GdsiGc系合金磁相变l准象理论的基础，同时也拓宽了Landau相变理论的应 用范围。 四、通过引入Gd的不同磁有序的次晶格，首次给出了GdsiGe系合金磁 相变的唯象机理，正确地描述了GdsiGe合金在实验中表现出的主要实验结果， 合理地指出了对GMCE有重要贡献的台阶状磁化曲线是两相共存的结果，然后 根据两相的权重，从理论上给出了迄今为止较为合理的磁化曲线的数值计算 结果，从而对深入理解合金的相变本质，进一步研究室温磁致冷材料的磁热 效应都具有指导意义。 五、将材料的纳米化计算成功地应用到室温磁致冷材料GdsiGe系合金， 首次将纳米材料视为变相互作用的团簇系统，并且把纳米工艺参数与可变祸 合系数联系起来，合理地建立了纳米团簇系统的磁热效应的描述方法。通过 计算 GdsiGe系合金的纳米微晶系统磁热效应，研究了各种物理条件对纳米微 沉，系统磁嫡变的影响，首次得到了在一定条件下纳米微晶系统的磁嫡变将取 得最大值，即分别存在最佳藕合和最佳单位外场磁嫡变(最佳磁嫡变一磁场比) 的重要结论。同时本文还首次引入了纳米微晶磁矩的温度依赖性，并清楚地 分析了这利，温度依赖性对纳米微晶系统磁嫡变的明显影响。这些都为发展与 完善纳米材料磁热效应的理论提供了必要的信息和途径，也为研制宽温区、 高性能纳米磁致冷材料给出了理论依据。