Ваш браузер устарел. Рекомендуем обновить его до последней версии.

Фундаментальные основы криогенной и сверхпроводниковой техники нового поколения на основе фазовых переходов в магнитных полях

Проект РНФ № 20-19-00745

Руководитель проекта:
Шавров Владимир Григорьевич

 

Исследования магнитокалорического эффекта в последнее время приобрели широкий размах во всем мире в связи с его потенциальными применениями твердотельных магнитных материалов для высокоэффективного охлаждения при комнатной температуре. Авторы проекта предложили новую концепцию исследований и применений магнитокалорических материалов, которая предполагает создание и изучение перспективных систем твердотельного магнитного охлаждения для сверхпроводящих источников сильного магнитного поля с высокой эффективностью. В проекте, с помощью разработанных авторами методик, будут в сильных магнитных полях, в широком температурном диапазоне, прямыми методами исследованы магнитные и магнитостуктурные фазовые переходы и магнитокалорические свойства новых материалов из сплавов на основе 3d- и 4f - металлов. Будут исследованы сверхпроводниковые материалы и постоянные сверпроводящие магниты на основе высокотемпературных сверхпроводников. Также будут исследованы термодинамические и электрические свойства функциональных материалов передовыми методами. На основе новых знаний о свойствах этих материалов в сильных магнитных полях будут экспериментально воспроизведены и исследованы циклы магнитного охлаждения и продемонстрировано поддержание сильных магнитных полей и сверхпроводимости с помощью криогенной твердотельной технологии магнитного охлаждения с использованием исследуемых в проекте функциональных материалов. В случае успеха проекта, результаты исследований позволят открыть перспективу применений новых принципов магнитного твердотельноого охлаждения для создание низких температур и сильных магнитных полей для микроэлектроники, медицины, энергетики, магнитолевитационного транспорта и многих других областей.

 

Итоговый отчет о выполнении проекта

за 2020 -2022 годы

 

Поликристаллические образцы сплавов DyNi2, GdNi2, Gd2In и Ni44.4Mn36.2Sn14.9Cu4.5 были синтезированы путем дуговой плавки в защитной атмосфере аргона из химически чистых элементов. Кристаллическую структуру образцов характеризовали при комнатной температуре с помощью рентгеновской дифракции (XRD) с использованием дифрактометра RIGAKU Ultima IV с излучением Cu-Ka (длина волны λ = 0,154 нм). Фазовый контраст в режиме отраженных электронов исследовали с помощью сканирующего электронного микроскопа (СЭМ) TescanVega 3. Химический состав и однородность состава образцов определяли методом энергодисперсионного рентгеновского анализа (EDX).

Магнитные свойства выплавленных образцов сплавов DyNi2, GdNi2, Gd2In, Ni44.4Mn36.2Sn14.9Cu4.5 изучались стандартными методами магнитометрии (протоколы ZFC-FH-FC) при помощи СКВИД-магнитометра в магнитных полях до 7 Тл в широком диапазоне температур 2-400 К, а также при помощи вибрационного магнитометра в магнитных полях до 3 Тл в диапазоне температур 50-300 К. Прямые измерения магнитокалорического эффекта (МКЭ) в адиабатических условиях проводились в импульсных магнитных полях до 50 Тл, а также в квазистационарных полях биттеровского магнита до 14 Тл по оригинальной методике.

Получены температурные зависимости намагниченности образцов сплавов DyNi2 и GdNi2 в полях до 5 Тл и 10 Тл. Рассчитаны температурные зависимости изотермического МКЭ в сплавах DyNi2 и GdNi2. Максимальное полученное значение МКЭ в DyNi2 составило ΔSm = − 16 Дж/кг∙К в окрестности температуры Кюри TC = 20 К в магнитном поле 5 Тл. В сплаве GdNi2 изменение магнитной энтропии достигает максимального значения ΔSm=−17 Дж/кг∙К, адиабатическое изменение температуры − величины ΔTad = 6,8 К в окрестности температуры Кюри TC = 70 К при изменении магнитного поля до 10 Тл. Температурные зависимости ΔTad также измерены для GdNi2 в прямом эксперименте в импульсных магнитных полях до 50 Тл, причём максимальное значение составило ΔTad =15 К при 77 К.

При изучении магнитных свойств образцов сплава Gd2In в магнитном поле 5 Тл выявлен кинетический арест метамагнитного ФП 1-го рода. Для прямого измерения ∆Тad в соединении Gd2In в диапазоне температур 4-240 К применялся экстракционный метод в магнитных полях до 14 Тл. Максимальное значение обратного МКЭ в области метамагнитного ФП 1-го рода составило ∆Тad= - 0.5 К в поле 1.8 Тл. При увеличении магнитного поля до 5 Тл МКЭ в этой температурной области меняет знак из-за конкуренции разных вкладов в эффект. Прямой МКЭ в области температуры Кюри монотонно возрастает с увеличением магнитного поля от 1 до 14 Тл, достигая максимального значения ∆Тad = 7.8 К при Т0 = 215 К.

Для получения однофазного состояния образцов сплавов Гейслера Ni44.4Mn36.2Sn14.9Cu4.5 проводился гомогенизационный отжиг при 860°C в течении 24 часов с последующей закалкой в воду. В результате удалось получить состояние с однородным химическим составом и равноосными зернами размером 50-100 мкм. Сплав Гейслера Ni44.4Mn36.2Sn14.9Cu4.5 демонстрирует два магнитных ФП 1-го и 2-го родов: первый магнитоструктурный ФП 1-го рода от ферримагнитной мартенситной к ферромагнитной аустенитной фазе наблюдается в области низких температур 50-110 К, второй магнитный ФП 2-го рода от ферромагнитного к парамагнитному упорядочению в аустенитной фазе наблюдается при TC ≈ 375 К. Приложение магнитного поля смешает температуру мартенситной фазы в область более низких температур, при этом ФП 1-го рода обладает чувствительностью к магнитному полю порядка -2,2 К/Тл. Прямые измерения магнитокалорического эффета (МКЭ) в адиабатических условиях проводились в квазистационарных магнитных полях до 10 Тл по оригинальной методике. Максимальное значение адиабатического изменения температуры составило ΔTad =-2,7 К при 117 К в магнитном поле 10 Тл.

Для экспериментального исследования цикла однокаскадного охлаждения на основе функциональных материалов с МКЭ в криогенной области температур (10-50 К) была разработана экспериментальная установка для моделирования холодильного цикла в магнитном поле до 10 Тл на основе механических тепловых ключей. Данная измерительная установка позволяет моделировать часть холодильного цикла магнитного охлаждения при намагничивании магнитокалорического тела в сильных магнитных полях и передачу тепла посредством механического контакта. Представлены экспериментальные данные о работе механического теплового ключа в области криогенных температур, полученные в рамках выполнения текущего этапа. Показано, что время, за которое наступает термодинамическое равновесие при передаче тепла при помощи механического теплового ключа в области температур 40-46 К составляет около 30 сек, а в области температур 83-88 К около 60 сек.

Проводилось прямое экспериментальное исследование процесса захвата магнитного потока, измерение скорости релаксации магнитной индукции при захвате потока и изучение сопутствующих релаксации эффектов в твердотельном керамическом ВТСП материале YBa2Cu3O7. Магнитное поле измерялось как в зазоре между цилиндрами, так вне его. В результате удалось захватить магнитный поток 5 и 10 Тл, но в течение часа, захваченный магнитный поток в 10 Тл не сохранялся и изменял своё значение до 2 – 3 Тл, а также образец разрушался. Однако, эксперимент в котором магнитный поток равен 5 Тл, сохранил захваченное значение без разрушения образца и сохранял его на протяжении длительного времени. Для захвата магнитного поля 10 Тл при температуре 30 К были использованы образцы без видимых дефектов. Предварительно магнитное поле 10 Тл вводилось внешним сверхпроводящим магнитом между двумя образцами после охлаждения их до температуры 30 К.

Проведена серия экспериментов по исследованию электронных, магнитных, тепловых свойств высокотемпературных сверхпроводящих (ВТСП) керамик YBa2Cu3O7. Измерены значения захваченного ВТСП керамикой YBa2Cu3O7 магнитного поля при разных температурах (84 К и 50 К) в условиях двухстороннего экранирования ферромагнитными материалами. Обнаружено, что при температурах замораживания 84 К и 50 К внешнего магнитного поля в 0,5 Тл значения оставшегося потока равны 0.1 Тл и 0.45 Тл соответственно. Измерены значения захваченного ВТСП керамикой YBa2Cu3O7 магнитного поля при разных скоростях вывода магнитного поля в условиях двухстороннего экранирования ферромагнитными материалами. Обнаружено, что при температуре 84 К снижение скорости вывода внешнего магнитного поля в 0,5 Тл от 0.23 Тл/мин до 0.05 Тл/мин увеличивает захваченный магнитный поток от 0 Тл до 0,1 Тл.

Проведена серия экспериментов по исследованию электронных, магнитных, тепловых свойств сверхпроводящих монокристаллов (вискеров) семейства BiSrCaCuO. Образец вискера шириной 30 мкм и длиной 3 – 4 мм закрепляется на подложке из капролона, которая прикрепляется к медной вставке и помещается в вакуумную камеру. Электросопротивление образца измерялось 4-х контактным методом в широком диапазоне температур 77 – 115 К. Серебряные контакты наносились на образец с помощью масочного метода и закрывались индием. При понижении температуры первый фазовый переход в образце вискера происходит при температуре около 107 К, при этом электросопротивление образца падает примерно в 10 раз (с 3 Ом до 0,3 Ом). При дальнейшем понижении температуры до 80 К происходит фазовый переход в сверхпроводящее состояние.

Исследованы флуктуационные поля анизотропных сред магнитоактивных материалов, свойства которых можно регулировать внешним магнитным полем. Произведён расчёт флуктуационного поля вблизи поверхности гиротропного полупространства, граничащего с вакуумом. В качестве примера была выбрана диэлектрическая проницаемость материала CdCr2Se4. Показано, что внешнее магнитное поле влияет на значение плотности электромагнитных флуктуаций гиротропной среды только при ωc > ωp, что достигается во внешнем магнитном поле с индукцией 2000 Тл, что в настоящее время не достижимо в лабораторных условиях. 

Выкл. снег