【摘 要】
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磁制冷具有制冷功率低、效率高、制冷机结构紧凑、无污染等优点。在当今全球资源日益枯竭和环境逐渐恶化的背景下,磁制冷作为一种低能耗、对环境友好的新型制冷技术而受到全世界众多科研机构和高校课题组的研发关注以及各国政府大量的资金投入。等温磁熵变（ΔSM）和绝热温变（ΔTad）是衡量磁制冷材料磁热性能的重要参数。但是,目前的大部分的研究工作中只考虑ΔSM,其通常是使用麦克斯韦方程从等温磁化曲线计算而间接得出
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磁制冷具有制冷功率低、效率高、制冷机结构紧凑、无污染等优点。在当今全球资源日益枯竭和环境逐渐恶化的背景下,磁制冷作为一种低能耗、对环境友好的新型制冷技术而受到全世界众多科研机构和高校课题组的研发关注以及各国政府大量的资金投入。等温磁熵变（ΔSM）和绝热温变（ΔTad）是衡量磁制冷材料磁热性能的重要参数。但是,目前的大部分的研究工作中只考虑ΔSM,其通常是使用麦克斯韦方程从等温磁化曲线计算而间接得出的。然而ΔTad越大,意味着越多的热量可以从磁制冷样机的冷端传递到热端,即直接决定了磁制冷样机的制冷能力。现有的测量装置仍然有着磁场强度无法调节、测量温度范围狭窄或者无法变频等不足,因此有必要开发新型的直接测量磁热效应（又称测量绝热温变）的装置。综上所述,本文设计开发了两款可以直接测量材料绝热温变的装置,并对装置进行了结构设计、性能测试以及理论分析,研究了磁热材料在高频率和大磁场下的性能表现,从而开发具有高准确度和高可靠性的装置,为磁制冷技术的发展奠定基础。本文研发的高频率的绝热温变测量装置是基于永磁体产生的永磁场进行设计的,装置采用样品腔固定,步进电机驱动磁体系统转动的测量方法。样品腔固定避免了以往装置中由于样品杆在快速进出磁场时产生的振动对测量的干扰。调节电机的转动速度就可以调整测量时的频率。使用三维软件对装置进行了完整的建模并使用有限元软件对磁体系统进行了磁力线走向和强度的仿真,磁体系统工作间隙的强度为0.72T,并多次优化了装置的结构,接着对装置进行了加工组装和性能测试。使用装置测量了 Gd的在变温和变频率下的绝热温变,实现了频率最高达到9.0 Hz下ΔTad的测量。在理论层面,建立地数学理论模型得到的数据和装置的测量数据也实现了较好的吻合,表明了该装置可以实现在变温和变频率条件下对材料绝热温变的可靠测量。其次,本文研发了宽温区大磁场的绝热温变测量装置,该装置是基于综合物性测量系统（PPMS）进行研发的。借助于PPMS的样品腔、温度场以及磁场,可以实现0～9T和6～380 K的测量环境,设计了放置样品的样品台与样品杆模块、驱动样品杆进出磁场的驱动模块、记录样品温度的温度记录模块以及保证测量环境的真空模块。接下来测试了磁场中停留时间、样品质量、样品杆移动速度、样品种类及状态等因素对装置测量时的影响,探究了最佳测试参数。装置在测量样品的绝热温变时采用的是缓慢升温的测量方法,因此对测量结果进行了误差修正,修正后的ΔTad值比直接测得的值增加了 0.11%～0.4%。接着又对测量结果进行了理论分析,二级相变材料（例如Gd）满足ΔT～H2/3的幂函数关系;一级相变材料（例如Mn1.15Fe0.8P0.5Si0.5C0.05）因相变时的不连续性不满足上述关系,此类材料满足ΔTad～Hn幂函数关系,其中n可以通过公式n=dln | ΔTad |/d lnH计算。使用该装置测量了 Gd和Mn1.15Fe0.8P0.5Si0.5C0.05的绝热温变数据,分别较好的满足了上述两种幂函数关系,表明了该装置测量的准确性。最后本文对绝热温变测量装置的影响因素进行了分析,分别探究了绝热条件、励磁速率、温度采集速率三种因素对装置性能的影响,为以后绝热温变测量装置的设计研发提供指导意见。
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