一种磁热效应高通量表征系统及表征方法
阅读说明：本技术 一种磁热效应高通量表征系统及表征方法 (System and method for representing high flux of magnetocaloric effect ) 是由 刘剑 欧阳亦 王坤 张明晓 于 2020-06-22 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种磁热效应高通量表征系统及表征方法。该系统包括用于放置若干磁性材料样品的样品容纳装置,双层环形海尔贝克磁铁阵列,红外测温装置和控制装置；样品容纳装置设置在双层环形海尔贝克磁铁阵列的环形中心,通过控制环形海尔贝克磁铁阵列的相对旋转控制磁场大小,环形中心区域具有均匀强度的磁场。该系统具有非接触式、可靠、高效的优点,可同时测量多个磁性样品的绝热温度以及其循环稳定性,具有良好的应用前景。(The invention provides a magnetocaloric effect high-flux characterization system and a characterization method. The system comprises a sample accommodating device for accommodating a plurality of magnetic material samples, a double-layer annular Halbach magnet array, an infrared temperature measuring device and a control device; the sample containing device is arranged in the annular center of the double-layer annular Halbach magnet array, the size of the magnetic field is controlled by controlling the relative rotation of the annular Halbach magnet array, and the annular center area has a magnetic field with uniform strength. The system has the advantages of non-contact, reliability and high efficiency, can simultaneously measure the adiabatic temperature and the cycle stability of a plurality of magnetic samples, and has good application prospect.)
技术领域
本发明属于磁性材料技术领域，具体涉及一种磁热效应高通量表征系统及表征方法。
背景技术
随着社会发展和生活水平的提高，制冷技术在国民生产和人们的日常生活中发挥着重要作用。基于气体压缩的传统制冷技术目前仍存在效率低下、工作噪声大、体积庞大等缺点。在蒙特利尔协定书和京都协定书签订以后，磁制冷这种高效环保的新型固态制冷技术正得到全世界的广泛关注。磁制冷技术是以磁性材料为固态制冷剂，利用磁工质在绝热加磁和退磁过程中发生温度变化而制冷。
磁热效应主要通过等温熵变和绝热温变这两个关键参数来表征，其中绝热温变直接关系到制冷机的制冷能力和制冷温度范围，是评价磁制冷性能的最重要参数之一。绝热温变可以通过间接测量或直接测量获得。间接测量是通过测量加载磁场过程中比热容的变化计算绝热温变，该方法测量周期长，并且可能引起无法避免的计算误差。直接测量是接触式测量方法，主要是利用连接在样品上的温度传感元件测定绝热温变，但是磁性材料相变过程中往往伴随着体积变化，造成传感元件松动和漏热；此外，信号转换滞后、空间分辨率差、只能单样品测量等因素都会限制接触式测量方法在样品表征中的应用。
具有磁热效应的磁性材料体系和数量庞大，当需要从大量的磁性材料中筛选具有优异磁热效应的材料时，传统测试手段可靠性不足、效率低下，不利于新材料开发。此外，对于磁性材料的实际应用，磁热效应的循环稳定性与磁热效应本身同样重要。关于循环稳定性，传统测定方法耗时长，且无法多样品表征，目前缺少一种高效可行的非接触式表征手段直接测定多样品循环过程中的绝热温变。因此，高通量的磁热效应表征及高效的磁热效应循环稳定性测试是本领域技术人员攻关的技术难题之一。
发明内容
针对上述技术现状，本发明旨在提供一种可靠、高效的磁热效应高通量表征系统。
为实现上述技术目的，本发明采用的技术方案为：
一种磁热效应高通量表征系统，包括样品容纳装置，双层环形海尔贝克磁铁阵列，红外测温装置和控制装置；
双层环形海尔贝克磁铁阵列由两层组成，分别是内层环形海尔贝克磁铁阵列与外层环形海尔贝克磁铁阵列，外层环形海尔贝克磁铁阵列同轴套接在内层环形海尔贝克磁铁阵列外围，并且在驱动装置作用下其中一层环形海尔贝克磁铁阵列相对于另一层环形海尔贝克磁铁阵列可转动，转速称为环形海尔贝克磁铁阵列的相对转速；
所述样品容纳装置用于放置若干磁性材料样品；
所述样品容纳装置设置在双层环形海尔贝克磁铁阵列的环形中心，通过控制所述转动控制磁场大小，环形中心区域具有匀强磁场；
所述红外测温装置用于非接触式测量磁性样品的温度；
所述控制装置用于控制磁场。
所述驱动装置不限，可以是电机、压缩气体、传动带等。
所述样品容纳装置可容纳的样品数目不限，作为优选，可容纳两个以上样品，作为进一步优选，可容纳十个以上样品，更优选为可容纳五十个以上样品。
所述样品容纳装置结构不限，可以为插槽结构，层状结构等。
所述样品容纳装置的材料不限，优选为低导热材料，例如低导热树脂、陶瓷、塑料等，以减少样品热损失，提高测试准确性。
作为一种实现方式，在驱动装置作用下其中一层环形海尔贝克磁铁阵列转动，另一层环形海尔贝克磁铁阵列静止。
作为另一种实现方式，在驱动装置作用下其中一层环形海尔贝克磁铁阵列以第一转速转动，另一层环形海尔贝克磁铁阵列以第二转速转动，第一转速与第二转速不同。
作为一种实现方式，通过控制环形海尔贝克磁铁阵列的相对转速控制磁场的变化速率。
作为一种实现方式，所述控制装置通过控制驱动装置的驱动力大小控制环形海尔贝克磁铁阵列的相对转速，从而控制磁场的变化速率。
所述控制装置可设定控制程序反复加载磁场，从而测量多样品磁热效应的循环稳定性。
利用本发明的表征系统对磁性样品进行磁热效应表针的方法如下：
(1)将若干磁性样品置于样品容纳装置中；
(2)通过控制装置调控驱动装置的驱动力大小，从而控制环形海尔贝克磁铁阵列的相对转速，使环形中心的磁场发生变化，在此过程中红外测温装置记录样品温度，变化前后的温度差即为该磁场变化过程中的绝热温变。
作为优选，还包括如下步骤(3)：
(3)在控制装置中通过程序设定自动重复步骤(1)与(2)数次，用于测量若干样品磁热效应的循环稳定性。
与现有技术相比，本发明提供的磁热效应表征系统具有如下有益效果：
(1)使用双层环形海尔贝克磁铁阵列，可通过驱动装置使其中一层环形海尔贝克磁铁阵列相对于另一层环形海尔贝克磁铁阵列产生转动，通过控制装置调节转速实现不同的磁场方向与大小；
(2)样品容纳装置可容纳若干样品，在一次测量中可同时对若干磁性样品加载磁场与测量温度，从而可同时表征若干样品的磁热效应，实现高通量表征；
(3)使用红外测温装置实现非接触式测量磁性样品，具有高可靠，高空间分辨率和高响应频率；
(4)通过控制装置的程序设计可实现反复加载磁场，从而测量多样品磁热效应的循环稳定性。
因此，本发明的磁热效应表征系统具有非接触式、可靠、高效的优点，可测量磁性样品的绝热温度以及其循环稳定性，具有良好的应用前景。
附图说明
图1是本发明实施例1中的磁热效应高通量表征系统结构示意图。
图2是本发明实施例1中五个样品在一次磁场循环中的红外测温图像。
图3是本发明实施例1中五个样品在一次磁场循环中测得的绝热温变数据。
图4是发明实施例1中1号样品在十万次磁场循环中的绝热温变随循环次数变化。
图1中的附图标记为：红外测温装置1、双层环形海尔贝克磁铁阵列2、样品容纳装置3、控制装置4。
具体实施方式
下面结合附图实施例对本发明作进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
实施例1：
如图1所示，磁热效应高通量表征系统包括红外测温装置1双层环形海尔贝克磁铁阵列2，样品容纳装置3和控制装置4。
样品容纳装置采用PVC塑料制得，呈圆柱形插槽结构，其插槽呈放射状，由四层组成，自放射中心往外，各层依次可容纳1、8、15、24个样品。
双层环形海尔贝克磁铁阵列由两层组成，分别是内层环形海尔贝克磁铁阵列与外层环形海尔贝克磁铁阵列，外层环形海尔贝克磁铁阵列同轴套接在内层环形海尔贝克磁铁阵列外围，外层环形海尔贝克磁铁阵列静止，在电机驱动装置作用下内层环形海尔贝克磁铁阵列可转动，从而可使磁场大小发生变化。通过控制电机可控制转速，从而调控磁场的变化速率。样品容纳装置置于双层环形海尔贝克磁铁阵列的环形中心，当内层环形海尔贝克磁铁阵列施加磁场时，该环形中心区域具有均匀强度的磁场。
红外测温装置用于非接触式测量磁性样品的温度。
控制装置为计算机，可设置电机转速实现磁场调控，并且设置控制程序反复加载磁场，从而测量多样品磁热效应的循环稳定性。
利用该磁热效应高通量表征系统测量五个成分不同的磁性材料粉末La0.7Ce0.3Fe11.6-xMnxSi1.4H(0<x<0.6)的绝热温变，该五个样品分别编号为1号、2号、3号、4号、5号，具体测量如下：
(1)将该五个成分不同的粉末样品分别放入样品容纳装置插槽中的五个位置，将插槽置于双层环形海尔贝克磁铁阵列的环形中心；
(2)在计算机中通过程序设定电机转速自0Hz增大至1Hz，然后再减小至0Hz，内层环形海尔贝克磁铁阵列相对于外层环形海尔贝克磁铁阵列旋转，对五个成分不同的粉末样品施加的磁场大小自0T增大至1.3T，然后再减小至0T；
在此过程中，红外测温探头对准样品，调节焦距，识别样品位置，进行非接触式测量，获得磁场加载和卸载过程中五个样品的红外测温图像，如图2所示，样品不同的亮度代表其不同的表面温度；
(3)通过程序设定自动重复步骤(1)与(2)十万次，测量多样品磁热效应的循环稳定性；
(4)关闭测试系统电源，通过计算机系统分析数据，得到单次和多次循环中样品的绝热温变，分析不同成分样品的绝热温变大小和循环稳定性。
图3和图4分别是1号样品在一次磁场循环中测得的绝热温变数据，以及在十万次磁场循环中的绝热温变随循环次数变化。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。
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