Введение к работе
Актуальность теки. Одним из актуальных разделов
современной физики магнетизма является исследозание магнитных свойств редкоземельных металлов (РЗН), их сплавов и соединений. Толчком к развитию данного направления послужило обнаружение в 1935 г. ферромагнетизма в гадолинии. Как выяснилось позднее, даншй спектр материалов обладает уникальным сочетанием целого ряда физических свойств.
Основные физические и химические свойства РЗМ и их сплавов в настоящее вреня хорошо изучены. Большое разнообразие новых магнитных структур и особенностей фазовых переходов (ФП), обнаруженных в РЗН , делает эти материалы и их сплавы незаменимыми объектами для изучения фундаментальных вопросов физики магнитных явлений.
В промышленности используются такие характеристики РЗН,
как индукция насыщения, магнитострикция, магнитная энергия и
анизотропия и др. Кристаллические и аморфные соединения на
базе РЗМ широко используют в устройствах для магнитной
записи, магнитооптике, постоянных магнитах, аккумуляторах водорода и высокотемпературных сверхпроводниках. Тулий и лютеций применяются при создании покрытий экранов дисплеев ЭВМ.
Б последние несколько лет сформировалось более полное
представление о микроскопическом устройстве модулированных
структур РЗМ Прогресс в этом направлении связан с
теоретическим и экспериментальным исследованием эффектов
соизмеримости и структур типа спин-слип (спинового
проскальзывания). Модель спин-слипов объясняет "lock in"
переходы в магнитных спиралях в РЗМ в терминах простых
соизмеримых структур и базируется на экспериментально
наблюдаемых локализованных спиновых дефектах
Нейтронографические и синхротронные исследования магнитных структур ГЗК показали, что идеальная спиральная структура, характеризующаяся одним углом ip , является весьна грубым приближением к действительности. Более точное приближение -модель, в которой угол р модулируется при движении вдоль оси с не случайно, а вполне определенным образом.
Вопрос о температурной зависимости волнового вектора магнитной структуры и виде фазовых диаграмм РЗМ остается открытым , хотя для их исследования использовался целый арсенал экспериментальных методов. Заметный разброс получаемых
различными авторами результатов связан, в значительной степени, с тем обстоятельством, что в большинстве случаев авторы используют различные (по чистоте, условиям приготовления и т. д. ) образцы. На характер ФП существенное воздействие оказывают магнитное поле, давление, дефекты и целый ряд других параметров. Систематическое изучение влияния данных факторов на ФП в РЗН до сих пор не проводилось. Цельная и надежная информация может быть получена лишь при комплексном изучении различных физических свойств РЗИ на одних и тех же объектах.
Даже столь беглый анализ состояния исследований РЗМ показывает, что необходимо более детальное изучение магнитных, упругих, тепловых и ряда других характеристик этих материалов. Актуальность подобного рода исследований определяется тем, что данные характеристики РЗИ не изучены в широком спектре изменений термодинамических параметров (Н, Т и р).
Не завершено также исследование некоторых других проблем физики РЗМ. Например, влияние обменных, магнито-кристаллических, магнитоупругих и других взаимодействий на фазовый переход ФМ-АФМ в РЗМ экспериментально исследовано лишь в сплавах тербия с иттрием. В настоящей работе предпринята попытка прояснить особенности трансформаций магнитных структур и характер магнитных фазовых переходов РЗМ с помощью сочетания различных экспериментальных методик, а также провести исследование магнитокалорического эффекта (МПЗ) и энтропии в тяжелых РЗМ и их сплавах.
Цель работы. Целью диссертационной работы являлось комплексное систематическое экспериментальное исследование особенностей магнитных , упругих и тепловых свойств тяжелых РЗМ и их сплавов на одних и тех же объектах; выявление особенностей перестройки магнитных структур РЗМ; изучение магнитных фазовых диаграмм; разработка научных путей создания новых и совершенствование имеющихся магнитных материалов для магнитного охлаждения.
Научная новизна. Диссертационная работа представляет собой существенный вклад в развитие физики магнетизма редкоземельных материалов, в ней сформулированы и обоснованы новые положения, имеющие принципиальное значение для понимания природы магнитных фазовых переходов. Получен ряд результатов, имеющих важное значение для дальнейшего развития как прикладных, так и фундаментальных исследований по физике магнитных явлений в целом.
Конкретная научная новизна работы определяется следующими основными результатами:
- впервые исследованы зависимости величины НКЭ от температуры
и магнитного поля в тяжелых РЗН и их сплавах в сильных
магнитных полях; выявлена роль обменного взаимодействия в НКЭ;
теоретически и экспериментально определено влияние
парапроцесса, магнитной анизотропии, фазовых превращений и ряда
других факторов на величину МКЭ; установлены причины,
определяющие концентрационные зависимости величины НКЭ в
сплавах РЗМ; рассчитаны предельные значения НКЭ в данных
материалах;
впервые получены экспериментальные данные о характере поведения полевых зависимостей теплоемкости, энтропии и свободной энергии в ряду тяжелых РЗН и их сплавах; изучены закономерности поведения этих величин при перестройке магнитной структуры;
экспериментально изучено влияние температуры и магнитного поля на модули Юнга и внутреннее трение РЗМ; исследованы аномалии данных свойств вблизи точек магнитных фазовых переходов и парамагнитном регионе температур; определен характер влияния количества примесей и дислокаций на внутреннее трение; установлен вклад термоупругого механизма во внутреннее трение РЗН;
на базе данных экспериментального изучения намагниченности при различных давлениях, линейной магнитострикции, теплового расширения ' и магнитной анизотропии на одних и тех же образцах выяснена природа взаимодействий, приводящих к ФП геликоидальный антиферромагнетизм (ЛФМ) - ферромагнетизм (ФН) в монокристаллах Tb, Dy, Ег и их сплавах;
впервые проведено детальное исследование магнитного ФП геликоидальный антиферромагнетизм - парамагнетизм (ПМ); с помощью различных экспериментальных методик исследованы фазовые диаграммы РЗН и их сплавов ; обнаружен ряд новых особенностей трансформации магнитного упорядочения в РЗМ;
- определена перспективность использования РЗМ, их сплавов, а
также ряда других соединений в качестве рабочих тел магнитных
холодильных машин (МХН) для различных интервалов температур:
разработаны нов ы е эффективные конструкции магнитных
рефрижераторов.
Практическая ценность. В настоящее время промышленные устройства, использующие такое свойство РЗМ, как большое изменение магнитной части энтропии под действием магнитного
поля только начинают разрабатываться. Показано, что иктерметаллические соединения РЗН могут успешно применяться в компактных малых (1000 кг/день) ожижителях водорода. Таким образом, является крайне важным проведение работ по исследованию РЗМ, их сплавов, оксидных и интерметаллических соединений с целью определения эффективности их использования в качестве рабочих тел низкотемпературных магнитных холодильных машин.
Проведенное в настояцей диссертационной работе экспериментальное и теоретическое изучение впервые показало перспективность применения в подобных технических устройствах РЗН и некоторых соединений на их основе.
Выполненные исследования послужили основой для дальнейшего развития перспективных конструкций магнитных рефрижераторов. Предложен ряд конструктивных решений для нагнитных холодильных машин, оформленный заявками на авторские права. Апробация работы. Результаты исследований, изложенные в диссертации, докладывались на Всесоюзных конференциях по физике магнитных явлений (Тула 1983, Калинин 1988, Ташкент 1991), Всесоюзных совешаниях ( Суздаль 1S87, Донецк 1990, Суздаль 1990, Ужгород 1991, Казань 1992), Всесоюзных сенинарах ( Махачкала 1984, Грозный 1988, Махачкала 1989, Донецк 1993, Воронеж 1993) и Международных конференциях и совещаниях (Paderborn 1989, Osaka 1990, Brighton 1990, Southampton 1990, San Diego 1990, Plymouth 1990, Pittsburgh 1991, Bangalore 1991, Houston 1992, Minneapolis 1993 . Roskilde 1993).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 63 научных статьи и получено 4 авторских свидетельства. Список 55 основных работ приведен в конце автореферата.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка цитированной литературы и приложения. Диссертация содержит 393 страницы машинописного текста, включая 119 рисунков, 16 таблиц и приложение. Список цитированной литературы включает 415 наименований.