Manyetokalorik malzemelerin histerezis kaybı üzerindeki gerilim belleğinin uçucu olmayan kontrolü üzerine araştırma ilerlemesi
İnsanların yaşam standartlarının iyileştirilmesiyle, soğutma talebi keskin bir şekilde arttı ve soğutma için enerji tüketiminde önemli bir artışa neden oldu. Geleneksel gaz sıkıştırmalı soğutma teknolojisinde kullanılan çalışma sıvısı, atmosferdeki ozon tabakasını yok eder ve küresel ısınmayı şiddetlendirir. Paris Küresel İklim Konvansiyonu'nun ilanından bu yana, geleneksel gaz sıkıştırma ve soğutma teknolojisine bir alternatif bulmak acil bir ihtiyaç haline geldi. Manyetokalorik etkiye dayalı katı hal soğutma teknolojisi, enerji tasarrufu ve çevre koruma özelliklerine sahiptir ve geleneksel gaz sıkıştırmalı soğutma için alternatif bir teknoloji olması beklenmektedir. Bunlar arasında, birinci dereceden faz değişim özelliklerine sahip dev manyetokalorik malzeme, en potansiyel manyetik soğutma çalışma ortamı malzemesidir, ancak birinci dereceden faz değişim malzemesinin doğal histerezis kaybı, soğutma verimliliğini ciddi şekilde etkiler. Aynı zamanda mikro-nano elektronik cihazların artan entegrasyonu ve hassasiyeti ile mikro-nano ölçekte soğutma talebi artmaktadır. İnce soğutma malzemeleri filmi, katı hal soğutma araştırmalarının önemli bir yönü haline geldi.
Neredeyse eşit atom oranlarına sahip FeRh alaşımları, manyetik düzen ve kafes düzeninin bir çiftini sergiler. Oda sıcaklığında, antiferromanyetikten (AFM) ferromanyetiğe (FM) manyetik faz geçişi ile% 1 hacim genişlemesi meydana gelir. Bu özellik, FeRh'yi sıcaklık, manyetik alan ve gerilim gibi çeşitli dış alanlara duyarlı hale getirir. Bu nedenle, dev manyetokalorik etkiye ek olarak, FeRh alaşımlarının da devasa mermi ısıtma ve otoklav etkilerine sahip olduğu bulunmuştur. FeRh alaşımının 1990 gibi erken bir tarihte dev bir manyetokalorik etkiye sahip olduğu bulunmasına rağmen, FeRh, büyük histerezis kaybı ve geri döndürülemezlik nedeniyle manyetik soğutma uygulamalarında nadiren kullanılır (histerez kaybı, soğutma döngüsünde ısı sızıntısına neden olabilir).
Hu Fengxia, Eyalet Anahtar Manyetizma Laboratuvarında araştırmacı, Çin Bilimler Akademisi / Yoğun Madde Fiziği Ulusal Araştırma Merkezi, Pekin, Çin Ferroelektrik substrat PMN-PT üzerinde, manyetik soğutma cihazlarının minyatürleştirilmesi için bir temel oluşturan, dökme malzemelerle karşılaştırılabilir özelliklere sahip FeRh alaşımlı filmler büyütülür. Ferroelektrik substrat PMN-PT, FeRh filmde uçucu olmayan gerinim üretmek için darbeli bir elektrik alanı tarafından indüklenen R-O faz geçişine maruz kalır. Bu gerginliğin manyetik soğutma döngüsüne katılmasıyla, FeRh alaşım filminin histerezis kaybı tüm soğutma sıcaklığı bölgesinde büyük ölçüde azaltılır. Dahası, elastik gerilme tarafından üretilen mekanik işi histerezis kaybını telafi etmek için kullanırken, aynı zamanda mıknatıslanma ve manyetikliği giderme işlemi sırasında sabit bir elektrik alanı girişini önler, böylece manyetik soğutma prototipinin tasarımında karşılaşılan çift alan döngüsünün darboğaz problemini etkili bir şekilde çözer. Kantitatif analiz, eklenen uçucu olmayan gerilim yeterince büyük olduğunda, filmin etkili soğutma kapasitesinin (RCeffe) harici mekanik çalışma kullanılarak büyük ölçüde geliştirilebileceğini göstermektedir. Sadece histerezis kaybı ve mekanik güç katkısı dikkate alındığında, ideal döngünün soğutma katsayısı yeni bir yüksekliğe ulaşabilir. Bu çalışma yenilikçi bir şekilde, soğutma döngüsünü gerinim bellek etkisi ile birleştirmek için yeni bir yöntem önermektedir; bu, yalnızca FeRh'nin bir soğutucu olarak uygulama olasılıklarını genişletmeye yardımcı olmakla kalmaz, aynı zamanda benzer birinci dereceden faz değişim materyallerinin histerezis kaybını azaltmak için yeni bir fikir sağlar. Ve mekanik iş kullanarak katı çalışma ortamının soğutma kapasitesini iyileştirmenin yeni bir yolunu açar.
Buna ek olarak, FeRh film malzemelerinin soğutma performansının incelenmesi sürecinde, katı ısı transfer ortamı olarak Cu, Ag, Au, Pt, grafen ve yüksek ısıl iletkenliğe sahip diğer maddelerin heterojen yapı sistemini incelemek için sonlu eleman simülasyonu ve deney kombinasyonu kullanılmıştır. Alt tabakanın ısı kaçağı davranışı. Hem teorik simülasyon hem de deneysel sonuçlar, katı ısı transfer ortamı olarak Cu seçildiğinde, substratın ısı sızıntısının ihmal edilebilir olduğunu göstermektedir. Bu sonuç, ince filmlerin soğutucu akışkan olarak kullanımına ilişkin uzun süredir devam eden şüpheleri ortadan kaldıran ve ince film soğutma malzemelerinin incelenmesi için deneysel ve teorik destek sağlayan uygun ısı değişim ortamının seçilmesiyle alt tabakanın ısı sızıntısı sorununun etkili bir şekilde çözülebileceğini göstermektedir. .
Bu çalışma Nano Energy'de yayınlandı (Nano Energy59 (2019) 285294). Bu çalışma, Bilim ve Teknoloji Bakanlığı, Çin Ulusal Doğa Bilimleri Vakfı ve Çin Bilimler Akademisi'nin temel projeleri tarafından desteklenmiştir.
Şekil 1 (a) Gerinim bellek etkisi ile çift alanlı uyarımlı manyetik soğutma döngüsünün şematik diyagramı, (b) elektrik alanı (siyah) ve darbeli elektrik alanı (pembe) altında manyetik alanla FeRh film mıknatıslamasının değişimi ve karşılık gelen (c) FeRh Film mıknatıslanma elektrik alanla değişir ve (d) FeRh film mıknatıslaması sıcaklıkla değişir.
Şekil 2 Gerinim bellek etkisinin tanıtılmasının deneysel ölçümü. (a) H ve E'nin sırasıyla uygulanan manyetik alanı ve elektrik alanını temsil ettiği FeRh / PMN-PT heterojonksiyon ölçüm modelinin şematik diyagramı. (b) FeRh filmin mıknatıslanması, 5T ve 310K'da elektrik alanına göre değişir. AB, -6kV / cm elektrik alanı uygulayarak, alt tabakanın getirdiği sıkıştırma gerilimi, FM fazının bir kısmının AFM fazına dönüşmesine neden olur ve mıknatıslanma azalır; BC, -6kV / cm elektrik alanını ortadan kaldırarak, gerinim hafıza etkisi, manyetizasyonu yaklaşık olarak değiştirmez; , AFM fazının bir kısmını FM fazına geri döndürmek için gerilimi serbest bırakmak için + 6kV / cm elektrik alanı uygulayın ve manyetizasyon artar; DA, + 6kV / cm elektrik alanını kaldırır, gerinim hafıza etkisi manyetizasyonu yaklaşık olarak sabit yapar, (c) sıfır elektrik alanından önce İki manyetik alan döngüsünde FeRh filminin manyetik alanla manyetizasyon eğrisi ve (d) 5T ve 0T sabit manyetik alan altında FeRh filminin manyetik alanla manyetizasyon eğrisi. Darbeli elektrik alanı tarafından üretilen gerilmenin daha büyük olduğu varsayıldığında, yol 6, yol 6 'veya yol 6 "' yı takip edecektir. 5-6, 5-6 've 5-6" yollarının çevrelediği alanın şekil (c)' den çok daha küçük olduğu görülebilir. Orta 3-4'ün çevrelediği alan negatif hale gelir (yol 5, 6, 6 ', 6 "sadece manyetik alana sahiptir ve elektrik alanı yoktur), bu da gerilim hafıza etkisinin neden olduğu histerezis kaybının uçuculuğunun büyük ölçüde azaldığını gösterir. Gerilmenin neden olduğu mekanik işin telafisi Alt kısımdaki şekil, yukarıdaki işlemde manyetik alan ve elektrik alanın zamanla değişim eğrisine karşılık gelir.
Şekil 3 (a) Oda sıcaklığında yerinde uygulanan elektrik alanı altında farklı elektrik alanlarının XRD modelleri, (b) düzlem dışı yön kafes parametresi a011'in elektrik alanı ile değişimi Bu sonuç Şekil 2 (b) ile tutarlıdır ve elektrik alanın ürettiği gerinim hafıza etkisini göstermektedir. Darbeli elektrik alanı uygulandıktan sonra (c) +0 ve (d) -0 durumu PMN-PT substrat (-222) karşılıklı uzay diyagramı. (e) Çok alanlı R fazının (R (m)) ve tek alanlı O fazının (O (s)) varsayımsal Gibbs serbest enerji eğrileri.
Şekil 4 (a) Elektrik alanı ve darbeli elektrik alanı altında mıknatıslanma eğrisinin şematik diyagramı. Gölgeli kısım histerezis kaybının uçuculuk olmayan azalmasını gösterir; (b) Darbeli elektrik alanlı soğutma çevriminde, FeRh filminin gerilimi düzlem içi gerinime göre değişir Değişikliklerin şematik diyagramı, gölgeli kısım mekanik işi temsil eder.
Kaynak: Fizik Enstitüsü, Çin Bilimler Akademisi
İpuçları: Yakın zamanda WeChat resmi hesap bilgi akışı revize edildi. Her kullanıcı, büyük kartlar şeklinde görüntülenecek olan sık okuma abonelik numaralarını ayarlayabilir. Bu nedenle, "Çin Bilimler Akademisinin Sesi" makalesini kaçırmak istemiyorsanız, aşağıdakileri yapmanız gerekir: "Çin Bilimler Akademisinin Sesi" genel hesabına girin sağ üst köşedeki menüyü tıklayın "Yıldız Olarak Ayarla" yı seçin
