Динамика магнитокалорического эффекта вблизи магнитных и магнитоструктурных фазовых переходов: прямые измерения и первопринципные расчеты

Магнитное охлаждение, основанное на магнитокалорическом эффекте (МКЭ) представляет многообещающую энергоэффективную и экологичную альтернативу традиционному охлаждению. Исследования последних лет показывают, что традиционные требования, предъявляемые к магнитокалорическим материалам (большие величины МКЭ, удобные рабочие температуры и высокие значения охлаждающей мощности) являются недостаточными условиями для идентификации подходящих материалов для технологии магнитного охлаждения. К ним следует добавить и такие свойства, как независимость вышеперечисленных параметров от частоты изменения магнитного поля, а также временная и механическая стабильность при долговременном циклическом воздействии магнитного поля. Созданные к настоящему моменту прототипы магнитных холодильных машин работают при относительно низких частотах (4-10 Гц), а экспериментальные и теоретические исследования поведения магнитокалорических характеристик в условиях долговременного воздействия циклического магнитного поля различной интенсивности и частоты практически не проводились. Очевидно, что эффективность работы холодильной машины, работающей на основе термодинамического цикла нагрев-охлаждение будет тем выше, чем больше циклическая частота, индуцированная переменным магнитным полем. Однако она не может быть бесконечно большой и ограничена кинетикой протекания фазовых превращений. Предельная частота термодинамического цикла имеет так же технические ограничения, связанные с конечной скоростью отвода тепла от рабочего тела холодильного устройства. Последняя зависит как от теплопроводности самого тела, так и от его геометрических форм. Наиболее эффективной с точки зрения улучшения теплоотвода являются тонкие ленты, в которых отношение площади поверхности к объему будет максимальной. Поэтому в проекте будут исследоваться как объемные, так и ленточные образцы. Одним из ярких представителей магнитокалорических материалов являются сплавы Гейслера, в которых наблюдаются магнитные и магнитоструктурные фазовые переходы. Исследование динамики магнитокалорического эффекта вблизи магнитных и магнитоструктурных фазовых переходов в этих материалах позволит на основе полученных данных начать целенаправленный поиск материалов с заданными магнитокалорическими характеристиками. До настоящего времени исследования магнитокалорических свойств материалов проводились при квазистационарных полях, или при разовых циклах изменения магнитного поля или вовсе оценивались косвенными методами. Магнитокалорические свойства материалов в циклических магнитных полях и при разовых циклах изменения магнитного поля могут существенно отличаться, особенно вблизи магнитоструктурных фазовых переходов (МСФП), где обнаруживаются гигантские значения МКЭ. Изучение влияния циклического магнитного поля различной интенсивности (6.2, 12, 18 и 80 кЭ) и частоты (до 30 Гц) при долговременном воздействии на магнитокалорические свойства в сплавах Гейслера и установление природы циклической и частотной стабильности, а также изучение эффектов деградации МКЭ является основной научной задачей данного проекта. Другой важный вопрос, рассматриваемый в проекте – это теоретические исследования (с помощью квантово-механических и статистических методов) механизмов фазовых магнитных и структурных превращений, динамики магнитокалорического эффекта, магнитоупругого взаимодействия в сплавах Гейслера с целью выявления оптимальных композиционных составов, а также условий, приводящих к усилению наблюдаемых эффектов и смещению температур фазовых превращений. Научная новизна проекта заключается в том, что, впервые ставится задача комплексного экспериментального и теоретического исследования динамики магнитокалорического эффекта вблизи магнитных и магнитоструктурных фазовых переходов путем изучения влияния циклического (до 80 кЭ) и импульсного (до 500 кЭ) магнитного поля на магнитные и магнитокалорические свойства материалов и на стабильность теплофизических свойств. При решении поставленных в проекте задач будут использованы оригинальные методы прямых исследований магнитокалорических свойств в циклических магнитных полях, которые позволяют исследовать временную и частотную зависимость МКЭ, магнитострикции, намагниченности в сильных магнитных полях (до 80 кЭ с частотой до 0.8 Гц и в полях 6.2 и 12 кЭ с частотой до 30 Гц). Экспериментальные исследования будут сопровождаться теоретическим анализом, который будет включать в себя последовательные этапы расчетов при нулевой температуре с помощью первопринципных методов и при конечных температурах с помощью модельных гамильтонианов и метода Монте-Карло. Первопринципные расчеты будут выполнены с помощью известных и хорошо апробированных пакетов VASP и SPR- KKR, в основе которых заложена теория функционала плотности. К примеру, рассматриваемые в данном проекте материалы являются одними из перспективных материалов для магнитного охлаждения. Тем не менее, температурная стабильность теплофизических параметров и стабильность МКЭ в циклических магнитных полях (> 1 Гц) практически не изучены. Поэтому эти экспериментальные исследования, сопровождаемые теоретическим и численным анализом важны для выявления динамики процесса фазового превращения, и будут способствовать ускорению развития технологии магнитного охлаждения.