磁性材料磁熱效應的研究

1、文章編號:1001-9731(200101-0032-02磁性材料磁熱效應的研究高小玫,周壽增,張茂才,高學緒,王潤(北京科技大學新金屬國家重點實驗室,材料科學與工程學院,北京100083摘要:設計組裝了一種冰量熱計法磁致熱效應測量儀,它可用于測量工頻交變場下鐵磁樣品磁致熱的絕對量。從磁熱測量的結果,得到了一些單一鐵磁樣品和磁-良導體復合樣品的磁致熱效應實驗規(guī)律。關鍵詞:磁熱效應;磁熱功率;磁熱測量中圖分類號:TM27文獻標識碼:A1引言物質存在兩類磁熱效應。第一類是物質原子磁矩有序與無序轉變過程的磁熱效應,稱磁卡效應1。第二類是鐵磁性或亞鐵磁性材料在交變磁場中磁化引起的磁致熱效應,通常稱磁損

2、耗。它包括磁滯損耗P h ,渦流損耗P e 和反常損耗P c 。在低頻低磁場下,以P h 和P e 為主,P c 很小2。磁卡效應已用于獲得低溫3。對于軟磁材料來說要求磁損耗越小越好。自80年代初以來已提出4,5將磁性材料的磁致熱效應用于高壓輸電線防覆冰,為此要求其有大的磁致熱效應。高壓輸電線在結冰氣候條件下,覆冰可達1519kg/m ,引起倒桿、斷線的斷電事故,造成巨大經(jīng)濟損失。我國是高壓線覆冰災害嚴重的國家之一。利用低居里點(020磁性材料的磁致熱效應是高壓線防覆冰的有效方法之一。如何測定磁性材料的磁致熱效應,如何提高磁致熱功率是迄今未解決的問題。本文設計組裝了測量磁致熱效應的測量儀,測量

3、了若干種磁性材料在工頻交變磁場下的磁致熱功率,探討了提高磁致熱效應的途徑。2實驗方法2.1磁致熱效應測量儀與方法磁致熱效應測量儀的原理示于圖1(a 。它由螺線管、杜瓦瓶、冰量熱計等組成。冰量熱計的結構示于圖1(b 。 圖1磁致熱功率測量儀組成(a 和冰量熱計(b Fig 1Schematic representation of magneto -calorific measurement(a and ice calorirneter (b 實驗前將冰量熱計和冰塊一同放入杜瓦瓶內,然后將液氮倒入冰量熱計內管,使其外壁形成冰層。將樣品放入內管,并用隔熱板封嚴杜瓦瓶,防止與外界熱交換。接通螺線管50

4、Hz 電源,通過變壓器調節(jié)電流和磁場強度。樣品在交變磁場中產(chǎn)生磁致熱效應,使冰量熱計內的冰層融化,體積收縮,刻度管水銀液面下降。冰融化為水時,單位體積吸收的熱量為3667.4J/cm 3。觀測刻度管水銀面的變化率l /t (cm/s ,可得材料單位質量的磁致熱功率為:P H =3667.4d 24w 0lt×103(W/kg d 是冰量熱計刻度管的內徑,w 0是樣品的質量。每只樣品重復測量23次,取其平均值作為實驗結果。2.2樣品樣品長度為80mm ,保證它處于螺線管磁場的均勻區(qū)。樣品有柱狀、片狀和管狀,管狀樣品由薄片狀樣品卷成。用振動樣品磁強計(VSM 測量樣品在不同磁場下的磁感應

5、強度B H (T 和磁滯回線,根據(jù)磁滯回線面積計算其磁滯功率P h 。用排水法在酒精中測定樣品密度d m ,雙電橋法測量樣品的電阻率m 。對部分樣品測量其單一材料狀態(tài)磁致熱功率后,在其外層覆鋁制成復合材料。其中FP 和WH 樣品用熱沉積法覆鋁,鋁層厚約100m ,F G 和3#樣品用氣相離子法覆鋁,鋁層厚約15m 。3實驗結果與討論樣品的尺寸、B H 、m 和d m 等參量列于表1。表1樣品尺寸形狀、磁感應強度B H 、電阻率m 和密度d mT able 1S ize ,shape ,resistivity m ,density d m of samples and the mag 2neti

6、zation B H of samples at various fields H樣品形狀與尺寸mmB 2.4TB 4.8T B 6.4T P m ×10-8m d mkg/m 3FG 管×(2.0-1.82×808500SFN片0.33×7×809300單一與復合材料在不同交變場下的磁致熱功率P H 和磁滯熱功率P h 列于表2?？梢?對于單一材料所有樣品的P H 值和P h 值均隨B H 的增加而增加。FG 單一材料的B H 由1.65T 增加到1.86T 時,其P H 由16W/kg 增加到28W/kg 。可見當磁場由2.4kA/m 增加

7、到6.4kA/m 時,其磁感僅增加12.7%,而磁致熱功基金來源:國家自然科學基金資助項目收稿日期:1999-09-09率卻增加了75%。FP 單一材料在6.4kA/m 磁場下,其B 6.4=1.72T ,P H 高達30W/kg ;而WH 單一材料在6.4kA/m 磁場下,其B 6.4=0.52T ,P H 僅有4.3W/kg 。FP 的B 6.4比WH 的高3倍,而P 6.4比WH 的高7倍。說明提高材料的磁感應強度對提高材料的磁致熱功率有重要的作用。表2樣品磁致熱功率P H 和磁滯熱功率P h 的實驗結果Table 2The experimental results of magneto

8、 -calorific power P Hand hysteresis calorific power P h樣品狀態(tài)復鋁厚mH =2.4kA/m H =4.8kA/m H =6.4kA/m P HP hP HP hP HP hFG ,管單一材料復合材料15262523272831FP ,片單一復合100FS ,柱單一173662I J50,片單一202429WH ,柱單一335在工頻磁場下磁致熱功率由磁滯熱功率和渦流熱功率貢獻。對于高磁感和低電阻率材料,例如FP 單一材料,磁滯熱功率約占磁致熱功率的28%43%,渦流熱功率約占57%72%。對于低磁感且較高電阻率材料,例如WH 單一材料,其磁

9、致熱功率幾乎全部由磁滯熱功率貢獻,渦流熱功率很小。這是因為WH 單一材料的電阻率m 比FP 的高約一個數(shù)量級。 又例如3#單一材料的m 為9×106m ,接近絕緣體,它的渦流熱功率幾乎對磁致熱功率沒有貢獻。復合材料比相應的單一材料的磁致熱功率大大地提高。FP 復合材料的P H 比其單一材料提高約46%70%,比F G 提高11%56%,比WH 提高36倍,比3#材料提高24倍。在6.4kA/m 磁場下,F G 和FP 復合材料的P H 分別達到31和51W/kg 。單純從磁致熱功率的角度看,它已可滿足高壓線防覆冰的要求了。良導體復合層可大大提高樣品磁致熱功率的原因,主要是良導體復層內

10、產(chǎn)生了二次渦流熱功率。4結論提高材料的磁致熱功率的主要途徑有:(1盡可能地提高材料在工作場下的磁感應強度;(2盡可能選擇電阻率低的材料,以便提高材料自身的渦流熱功率;(3在線材或管材外復合一層良導體,做成磁性材料與良導體的復合材料。良導體復合層不需要很厚。若不考慮其它因素(如強度、鈍化等,良導體層厚度有15m 便可。參考文獻1戴道生,錢昆明,編.鐵磁學(上冊M .北京:科學出版社,1992,1082宛德福,羅世華,編.磁性物理M .北京:電子工業(yè)出版社,1987,2763Fgiauque W ,MacDougall D P.J .Phys Rev ,1933,43:7684Fujikura L

11、imited.Magnetic Wire P .G B ,U K Patent Application ,2126409A ,21,Mar 19845住友工業(yè)株式會社,難著冰雪用部品.J .J P ,公開特許公報(A ,昭59144314,昭和59年(1984年8月18日高小玫女,1961年生。博士,高級工程師,現(xiàn)在上海鋼鐵研究所研究中心工作。師從北京科技大學王潤、周壽增教授。碩士論文(19831986是關于NdFeB 永磁的研究,內容涉及燒結NdFeB 的熱處理及合金元素對永磁的矯頑力及其溫度特性的影響。在上海鋼鐵研究所負責完成了“彩管用電真空材料的表面研究”(冶金部課題及“有序金屬間化合物

12、Fe 3Al 研究”(上海市青年科學基金項目等課題。博士論文工作是有關低居里溫度(T c 功能材料和磁熱效應原理的研究,就幾種低T c 磁性材料的T c 與組織結構的關系進行了研究,對磁電復合磁熱線的磁熱功率進行了理論分析和計算公式推導。Measurements of Magnetocalorif ic Pow er for Magnetic MaterialsG AO Xiaomei ,ZHOU Shouzeng ,ZHAN G Maocai ,G AO Xuexu ,WAN G Run(University of Science and Technology Beijing ,Beijin

13、g ,100083,China Abstract :A magneto -calorific effect measurement with ice calorimeter method is desi gned and made up.It can be used for measuring the absolute value of magneto -calorific of ferromagnetic materials under industry frequency alternating magnetic field.S ome experimental regu 2larities of magneto -calorific effec