NI-Mn-Sn合金磁热性能及机械性能的研究

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近年来,随着温室效应的愈演愈烈及能源的日益短缺,人们对绿色清洁、高效节能材料的研发投入了越来越多的关注。磁制冷技术是一种新型的制冷技术,相比传统的气体压缩制冷技术而言,它具有绿色环保、高效节能、冷机结构紧凑、振动小等一系列优点,故而具有良好的开发前景。磁制冷工质作为磁制冷技术的核心自然成为了研究热点之一。本文研究对象为哈斯勒合金中的Ni-Mn-Sn体系。通过小原子C的掺杂,一部分C进入间隙位,调控马氏体相变优化磁热性能;另一部分C与Mn形成碳化物,优化机械性能。从而得到了既具有较大磁熵变又具有较高压缩强度的制冷工质。此外,本文还系统的研究了退火时间对条带样品微观结构及磁热性能的影响,并在此基础上进行了不同制备工艺对样品磁热性能影响的对比研究。主要实验结果和结论如下:  (1)利用电弧熔炼的方法,制备了不同C含量的Ni-Mn-Sn合金样品。通过调控加入C的含量得到了一系列Ni43Mn46Sn11Cx(x=0,2,4,8)合金,采用XRD和SEM对样品的相结构、微观组织分析发现合金中C主要以两种方式存在,一种是小原子C进入主相L21间隙位,另一种方式是C与Mn结合生成锰碳化合物第二相;  (2)碳含量调节Ni-Mn-Sn合金的马氏体相变温度和磁熵变:随着所加C含量的增加,马氏体相变温度从最初x=0时的196 K增大到了x=8时的249 K;适当C的加入能够提高样品磁熵变,使得磁熵变从x=0时的27.4 J·kg-1K-1增加到了x=2时的34.6 J·kg-1K-1(5 T),后随着C含量的增加磁熵变又有所下降;  (3)碳的添加提高Ni-Mn-Sn合金的机械性能:压缩强度随着C含量的增加而逐步增加,从最初x=0时的556MPa增加到了x=8时的1016MPa,此外还得到了既具有较大磁熵变又具有较高压缩强度的样品Ni43Mn46Sn11C4,其磁熵变为21.3 J·kg-1K-1(5 T),压缩强度为995MPa。  (4)用甩带退火的方法,制备了条带样品,并研究了退火时间对微观组织和原子有序度的影响。随着退火时间的延长,条带样品由最初的细长柱状晶粒堆叠而成渐变为由单个贯穿晶粒组成。条带样品中代表原子有序度的超晶格峰峰强随着退火时间的延长先逐渐增强后又呈轻微的下降趋势,说明样品原子有序度也呈现相同的趋势。  (5)退火时间对条带样品的磁热性能也会产生重大影响。对于条带样品而言,从最初的未退火处理到退火180 min,随着退火时间的延长样品最大磁熵变、磁滞损耗以及磁滞损耗占制冷能力的比值都有先大幅升高后又降低的趋势,而有效制冷能力则呈现相反的趋势,即先降低后又升高。在条带样品中1173 K下退火60 min所得样品综合性能最好,既具有较大的磁熵变41.4 J·kg-1K-1(5 T),又具有较大的有效制冷能力100.8 J·kg-1。  (6)研究了不同制备工艺即甩带退火的条带样品和电弧熔炼退火的块体样品的磁制冷性能。退火60 min的条带样品与块体样品(磁熵变29.5 J·Kg-1·K-1(5 T),有效制冷能力82.9 J·Kg-1)进行对比可知,条带样品最大磁熵变提高了40.3%,有效制冷能力提高了21.6%。
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