Fe基室温磁制冷材料的结构及磁热效应的研究

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随着人们对环境问题和能源问题的日益重视,基于磁热效应(MCE)的磁制冷技术由于高效节能和绿色环保的优势有望取代传统的气体压缩/膨胀制冷技术,具有广泛的应用前景。近些年来,具有NaZn13型结构的La(Fe,M)13(M=Si,Al)基磁制冷材料由于具有成本低廉、无毒无害、居里温度(TC)连续可调、磁熵变巨大等优点受到高度关注。另外,Fe-Mn-Ga基Heusler合金具有马氏体相变伴随磁性转变过程,具有较大的磁熵变潜力。本工作正是在这种背景下开展了对La(Fe,M)13(M=Si,Al)基化合物和Fe-Mn-Ga基Heusler合金的结构和磁热效应的研究,并取得了以下结果。  第一,研究了LaFe11.5Al1.5Bx和LaFe11.5Al1.5Hy化合物的结构、磁性、相变和磁热效应。在LaFe11.5Al1.5化合物中引入间隙硼原子或氢原子后,并未改变立方NaZn13型晶体结构,磁性基态均由反铁磁态转变为铁磁态,且饱和磁化强度和居里温度均明显提高。随着间隙硼含量的增加,磁相变由弱一级过渡至二级;随着间隙氢含量的增加,磁相变由二级过渡至弱一级。0-5 T外加磁场变化下,LaFe11.5Al1.5Bx的最大磁熵变由10.1 J·kg-1·K-1(x=0.12)升高至12.3 J·kg-1·K-1(x=1.3),LaFe11.5Al1.5Hy的最大磁熵变由9.6 J·kg-1·K-1(y=0.1)降低至9.2 J·kg-1·K-1(y=0.3)。同时研究了30%Pr取代La对LaFe11.5Si1.5B0.2化合物磁性和磁热效应的影响。发现30%Pr取代La后,居里温度由200 K降低至190K,巡游电子变磁转变更加显著,0-3T外加磁场下的最大磁熵变和制冷能力均得以提升。  第二,系统研究了温度、时间、压力等因素对LaFe11.5Si1.5和LaFe11.4Si1.6化合物吸氢过程的影响以及效果。结果表明:对于LaFe11.5Si1.5化合物而言,吸氢处理会增大化合物的晶格常数,但不会改变其晶体结构。在吸氢温度为423K,氢气压力为0.0987 MPa时,可以制备出氢分布均匀的LaFe11.5Si1.5H1.6间隙化合物。氢化处理可以明显提高化合物的居里温度,降低热滞后,并且使磁熵变保持在较高值。LaFe11.5Si1.5H1.6样品随着在空气中暴露时间的延长,居里温度和磁熵变的变化非常小,氢化合金的磁热性能具有良好的热稳定性。对于LaFe11.4Si1.6化合物而言,在温度为423K,氢气压力为0.4342 MPa时,可以制备出LaFe11.4Si1.6H0.5间隙化合物。氢化处理可以使LaFe11.4Si1.6样品部分粉末化,化合物的居里温度明显升高,最大磁熵变明显降低。另外,对LaFe11.5Si1.5B0.2和LaFe11.5Si1.5C0.2化合物进行了吸氢处理,发现两者的吸氢量极少。  第三,研究了Fe-Mn-Ga基Heusler合金的相结构和磁性能。由悬浮熔炼得到的铸锭中存在β(体心立方)相和γ(面心立方)相;将铸锭进行快淬(30m/s),可以得到纯β相;将快淬带分别在873 K和1123K温度下退火三天,然后在冰水混合物中淬火,可以分别得到纯hcp(密排六方)相和纯γ相。
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