稀土Gd基非晶纳米晶复合磁制冷材料的制备与性能研究

来源 :华南理工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:hehong405
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基于磁热效应(MCE)的磁制冷技术(MR)具备高效节能,环境友好和易于小型化的优势,被认为是最有前途取代气体压缩制冷的绿色制冷技术。埃里克森循环作为一种再生循环非常适合于大温跨磁制冷机并被广泛采用。为了实现埃里克森循环的高效运行,需要在工作温度范围内保持恒定的磁熵变(ΔSM),且宽化的(-ΔSM)-T曲线会导致更大的制冷能力(RC),因而开发具备宽化甚至平台状(-ΔSM)的磁制冷材料至关重要。构建具备多重磁相变的原位非晶纳米晶复合结构是一种获得平台状(-ΔSM)的可行方式。在本论文中,我们以Gd-Co(Fe)-Mn(Zn,B)系列合金为研究对象,通过成分调控和晶化热处理的办法,成功构建了具备多重磁相变的Gd基非晶纳米晶复合结构并获得了平台状的(-ΔSM)-T曲线与优化的制冷能力RC。我们以单辊快淬工艺制备得到Gd55Co45-xMnx(x=5,10,15,20)快淬合金。XRD结果表明所有Gd55Co45-xMnx合金均为非晶结构。随着Mn含量的增加,Gd55Co45-xMnx(x=5,10,15,20)快淬合金的居里温度TC和磁熵变峰值(-ΔSMmax均减小。研究了晶化热处理保温时间对磁热性能的影响以确定获得最佳RC的工艺。经后续600 K/30 min晶化热处理,退火态Gd55Co35Mn10合金展现出平台状的(-ΔSM)-T曲线与优化的RC。在0-5 T外加磁场下,退火态Gd55Co35Mn10合金在137-180 K温区出现磁熵变平台且具有最优的RC值(536 J/kg)。平台状的(-ΔSM)-T曲线归结于析出的Gd3(Co,Mn)和Gd12(Co,Mn)7相与非晶基体的共同影响。以50 m/s铜辊线速度制备的Gd65-xCo35Zn10(x=0,10,20)快淬合金为非晶结构。随Gd含量的减少,磁熵变峰值(-ΔSMmax单调递减而居里温度TC单调递增。Gd65Co35Zn10快淬合金经600 K分别保温30,40和60 min的热处理后,XRD与TEM分析结果表明退火态Gd65Co35Zn10合金条带中析出了Gd3(Co,Zn)和Gd12(Co,Zn)7相。0-5 T外加磁场下,退火态Gd65Co35Zn10合金条带呈现温跨从68到198 K的磁熵变平台,以及与之伴随的宽温区大磁热效应(RCAREA达773 J/kg)。此外,退火态Gd55Co35Zn10合金在154-204K温区出现磁熵变平台,其RCAREA达619 J/kg。最后,我们研究了Gd-Fe-Zn与Gd-Fe-B非晶纳米晶体系。B含量更高的Gd65Fe30B5快淬合金展现出2个分别在在132和156 K处的磁性转变,与Gd65Fe35-xBx(x=0,1,3)快淬合金在290 K处的一个磁性转变截然不同。降低辊速能提高Gd65Fe30B5快淬合金的磁热效应。以30 m/s铜辊线速度制备的Gd65Fe30B5快淬合金在5 T外加磁场下,磁热性能为(-ΔSMmax=12.12 J/(kg?K),RC=903 J/kg。尽管没能获得平台状磁熵变曲线,Gd65Fe25Zn10快淬合金与Gd65Fe35-xBx(x=0,1,3)快淬合金均展现出优于一些室温温区磁制冷材料的RC,因此有潜力作为候选的室温磁制冷材料。
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