メタ磁性転移を利用した巨大磁気冷凍効果作動物質の開発

• 研究課題/領域番号: 14702050
• 研究種目: 若手研究(A)
• 配分区分: 補助金
• 研究分野: 構造・機能材料
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 藤田 麻哉 東北大学, 大学院・工学研究科, 助教授 (10323073)
• 研究期間 (年度): 2002 – 2004
• 研究課題ステータス: 完了 (2004年度)
• 配分額: 30,290千円 (直接経費: 23,300千円、間接経費: 6,990千円); 2004年度: 2,600千円 (直接経費: 2,000千円、間接経費: 600千円); 2003年度: 2,730千円 (直接経費: 2,100千円、間接経費: 630千円); 2002年度: 24,960千円 (直接経費: 19,200千円、間接経費: 5,760千円)
• キーワード: 遍歴電子メタ磁性転移 / 磁気熱量効果 / 磁気冷凍 / 室温磁気冷凍

研究概要

本年度は、メタ磁性転移が明瞭に現われるLa(Fe_xSi_<1-x>)_<13>化合物(x=0.88〜0.90)を対象とし、これまでの成果を考慮して以下の点について実験考察を行った。
1.冷凍機搭載を考慮した試料作製歩留まりの向上
昨年度までに、本化合物の磁気熱量効果の評価と動作温度範囲の室温近傍への制御方法検討を数十g程度の試料を用い行ってきたが、実際の冷凍機搭載には、モジュール試験の段階から、数百g〜1kg程度の試料が必要である。そこで、実用的供給を念頭におき、1kg程度の母合金から高歩留まりで目的試料を作成する手法を検討した。高周波炉により作製した溶湯を高熱容量かつ高熱伝導(放熱)を考慮して設計した銅鋳型に鋳込む事で組織制御を行い、500〜800g程度の高品位試料が1バッチで作製できることを明らかにした。
2.磁気冷凍動作温度の低温側への拡張
本化合物のキュリー温度を低下制御できれば低温域での高効率磁気冷凍が実現でき、気体冷凍の効率が激減する0℃〜-100℃程度で動作する諸々の新規デバイスのための冷凍に応用できる。バンド構造の特徴からはFeを電子数の少ない元素で置換すること、磁気体積効果からは、Laを原子半径がより小さい元素で置換すること、によりT_C低下が予想されたが、実際に各種元素置換により、T_Cの低下制御と、低温域での巨大磁気熱量効果の発現を確認できた。
以上および前年度までの結果から、本化合物は高効率な磁気冷凍を100K〜330K程度の温度範囲で永久磁石で発生可能な程度の磁場により実現できる、安価で人畜無害な新材料として非常に有望であると結論できる。

研究成果

• [雑誌論文] Control of Large Magnetocaloric Effects in Metamagnetic La(Fe_xSi_<1_x>)_<13> Compounds by Hydrogenation (2005)
  • 著者名/発表者名: 藤田麻哉 他
  • 雑誌名: J.Alloys Compds. (印刷中)
• [雑誌論文] Enhancement of isothermal entropy change due to spin fluctuations in itinerant-electron metamagnetic La(Fe_<0.88>Si_<0.12>)_<13> compound (2005)
  • 著者名/発表者名: 藤田麻哉 他
  • 雑誌名: J.Alloys Compds. (印刷中)
• [雑誌論文] Influence of Spin Fluctuations on Thermodynamics of Itinerant-Electron Metamagnetic Transition in La(Fe_<0.88>Si_<0.12>)_<13> Compound (2004)
  • 著者名/発表者名: 藤田麻哉 他
  • 雑誌名: J.Magn.Magn.Mater. 272-276
• [雑誌論文] Isotropic Giant Linear Magnetostriction and Large Magnetocaloric Effects in La(Fe_xSi_<1_x>)_<13> Itinerant-Electron Metamagnetic Compounds and Their Hydrides (2004)
  • 著者名/発表者名: 藤田麻哉 他
  • 雑誌名: Metals Materials and Processes 15 ページ: 273-295
• [雑誌論文] Enhancement of Magnetocaloric Effects in La(Fe_<0.90>Si_<0.10>)_<13> and its Hydride by Partial Substitution of Ce for La (2004)
  • 著者名/発表者名: 藤枝 俊 他
  • 雑誌名: Mater.Trans. 45 ページ: 3228-3221
• [文献書誌] 藤田麻哉: "Itinerant-Electron Metamagnetic Transition and Large Magnetocaloric Effects in La(Fe_xSi_<1-x>)_<13> Compounds and Their Hydrides"Phys.Rev.B. 67. 104416 (2003)
• [文献書誌] 藤枝俊: "Large Magnetocaloric Effects in NaZn_<13>-type La(Fe_xSi_<1-x>)_<13> Compounds and Their Hydrides Composed of Icosahedral Clusters"Science and Technology of Advamced Materials. 4. 339 (2003)
• [文献書誌] 藤枝俊: "Direct Measurement of Magnetocaloric Effects in Itinerant-Electron Metamagnetic La(Fe_xSi_<1-x>)_<13> Compounds and Their Hydrides"J.Magn.Magn.Mater.. (印刷中). (2004)
• [文献書誌] 藤田麻哉: "Influence of Spin Fluctuations on Thermodynamics of Itinerant-Electron Metamagnetic Transition in La(Fe_<0.88>Si_<0.12>)_<13> Compound"J.Magn.Magn.Mater.. (印刷中). (2004)
• [文献書誌] S.Fujieda他: "Large magnetocaloric effect in La (Fe_xSi_<1-x>)_<13> itinerant-electron metamagnetic compounds"Appl. Phys. Lett.. 81・7. 1276-1278 (2002)