Том 124, № 11 (2023)

Представлен краткий обзор работ, связанных с новым и перспективным направлением – технологией магнитного охлаждения, в основе которой лежит магнитокалорический эффект (МКЭ). Кратко рассмотрена суть эффекта и основные публикации, относящиеся к этой области. Сообщается о материалах, в которых наблюдается МКЭ, и представлены соответствующие диаграммы основных публикаций по МКЭ за последние 5 лет. Приведены последние результаты исследований российских ученых, работающих в данной области.

Исследованы изобарические температурные зависимости намагниченности и магнитокалорические характеристики сплавов системы Mn_1 – xCr_xNiGe в постоянном магнитном поле до 10 кЭ в диапазоне гидростатических давлений до 12 кбар. Установлено, что при возрастании давления реализация гелимагнитного упорядочения претерпевает качественные изменения от плавных безгистерезисных переходов 2-го рода до переходов 1-го рода, сопровождающихся появлением температурного гистерезиса и возрастанием магнитокалорического эффекта. На основе обменно-структурной модели дается объяснение механизма барической трансформации магнитных и магнитокалорических свойств.

Исследовано контактное термическое сопротивление разъемного соединения в виде медной контактной пары с термоинтерфейсом из слоев графена, синтезированного методом химического осаждения из паровой фазы на контактирующую поверхность. Получены значения контактного термического сопротивления разъемной контактной пары медь–графен–медь методом нестационарного теплового потока, в диапазоне температур 15–150 K при воздействии внешнего магнитного поля до 10 Тл.

Получены образцы композитов на основе порошков сплава LaFe_11.4Mn_0.3Si_1.3H_1.6 (LFMSH) с различной пористостью и шероховатостью поверхности, исследованы их магнитокалорические свойства прямым методом в циклических магнитных полях μ₀H = 1.2 Тл с частотой 2 Гц. Максимальное значение адиабатического изменения температуры в чистом порошке LFMSH составило ΔT = 3 K при Т₀ = 287 К в режиме охлаждения, для композитных образцов это значение оказалось примерно в 2 раза ниже, чем в порошке. Методами теории функционала электронной плотности исследовано влияние атомов Mn и H на электронную структуру и локальные магнитные характеристики исходного сплава La(Fe,Si)₁₃. Замена части атомов Fe на Mn снижает общий магнитный момент и несколько понижает температуру Кюри. Гидрирование, напротив, ведет к росту обменных взаимодействий между атомами Fe, расположенными в вершинах икосаэдра, и повышению температуры Кюри.

Проведено сравнительное исследование магнитокалорических характеристик редкоземельных магнетиков. Были изучены системы как содержащие водород Gd–H, (Gd,R)Ni–H (R – редкоземельный металл), RCo₂–H со структурой фаз Лавеса, так и системы без водорода, такие как слоистые магнетики с общей формулой RTX (Т = Mn, Fe, Co; X = Si), а также соединения типа R₂(Fe,Т)₁₇ (Т = Al), которые имеют точку магнитной компенсации и демонстрируют знакопеременный магнитокалорический эффект (МКЭ). МКЭ измерен прямым методом и косвенным из анализа полевых зависимостей намагниченности. Установлены основные закономерности и выявлены специфические особенности формирования магнитокалорических свойств материалов в зависимости от их состава и структуры.

В рамках теории функционала плотности исследовано влияние легирования атомами Cu и Zn на магнитные и структурные свойства кубической и тетрагональной фазы сплава Гейслера Ni₂Mn_1.125Ga_0.875. Частичное замещение атомов Ga атомами Cu и Zn приводит к уменьшению разницы энергий между ферромагнитным и ферримагнитным состоянием кубической фазы и увеличению энергетического барьера между кубической и тетрагональной фазой. Последнее наблюдение косвенно указывает на рост температуры структурного перехода, наблюдаемый экспериментально. В рамках расчетов параметров обменного взаимодействия из первых принципов и моделирования методом Монте-Карло температурных зависимостей намагниченности построена фазовая Т–х диаграмма. Показано, что температура Кюри тетрагональной фазы существенно уменьшается по сравнению с температурой Кюри кубической фазы с ростом содержания Cu и Zn за счет увеличения межподрешеточного антиферромагнитного взаимодействия между атомами Mn.

Рассмотрены структурные, магнитные и термодинамические свойства сплавов Mn₂YSn (Y = Sc, Ti, V) в зависимости от приложенного давления, используя теорию функционала плотности и метод Монте-Карло. Показано, что для каждого соединения существуют два магнитных состояния с низким и высоким магнитным моментом при меньшем и большем объеме элементарной ячейки, разделенные энергетическим барьером. Величина барьера зависит от приложенного внешнего давления. Две фазы становятся практически равными по энергии при критических давлениях 3.4, –2.9 и –3.25 ГПа для Mn₂ScSn, Mn₂TiSn и Mn₂VSn соответственно. Смоделированы температурные зависимости намагниченности и магнитокалорических характеристик для исследуемых фаз при различных давлениях. Учет давления приводит к пониманию механизма повышения магнитокалорического эффекта в фазе с высоким магнитным моментом. Наибольший эффект (∆S_маг ≈ 0.158 Дж/моль К и ∆T_ад ≈ 1.1 К) предсказан для Mn₂TiSn при давлении –2.9 ГПа и изменении магнитного поля от 0 до 2 Тл.

Представлены результаты исследования влияния всесторонней изотермической ковки на микроструктуру и мартенситное превращение в сплаве Ni₅₈Mn₁₈Ga₂₄. Ковку выполняли в два этапа: 1 этап − ковка при 700°C (4 прохода, истинная степень деформации e ≈ 1.64), 2 этап − ковка при 500°C (1 проход, e ≈ 0.24). Деформация ковкой привела к трансформации исходной равноосной зеренной структуры. В результате 1 этапа обработки новых зерен не образуется. Только после 2 этапа деформации начинают наблюдаться новые рекристаллизованные зерна, доля которых весьма незначительна. По всей видимости, механизм фрагментации зеренной структуры на первом этапе не запускается из-за недостаточной плотности дефектов при деформации при 700°C. Анализ характеристических температур мартенситного превращения показывает, что в результате ковки эти температуры сдвигаются в область низких температур. Анализ анизотропии термического расширения деформированных образцов в области мартенситного превращения демонстрирует ангармоническое изменение длины образца. В целом это свидетельствует о низком уровне плотности дефектов и внутренних напряжений в образце.