论文部分内容阅读
磁制冷是一种高效环保的绿色制冷技术,在目前能源短缺,环境污染日趋严重的大背景下,值得大力研究和推广。低温领域磁制冷技术的应用已经十分成熟,随着科技的进步,磁制冷技术应用也正从低温逐渐走向高温。磁制冷技术在高温特别是室温下的应用最关键的问题是寻找合适的磁制冷材料。Fe基非晶磁制冷材料,以Fe为主要材料,成本低廉,材料发生二级相变,磁滞和热滞很低,能量损耗低,磁有序转变温度跨度大,制冷能力强,同时具有高抗腐蚀性和抗氧化性以及可调的居里温度,是很有潜力的室温磁制冷材料。但Fe基非晶磁制冷材料熵变较小,是限制其实际应用的主要原因,提高其磁熵变十分必要。本文研究了Fe基非晶合金的制备、磁性和磁热效应。探索了非磁性元素B替代部分Fe元素、稀土元素掺杂和金属Co替代部分Fe元素对合金磁性和磁热效应的影响,以期提高合金的磁热效应。 本文采用熔体快淬法成功制得 Fe86-xBxMn4Zr8Nb2(x=4,8,12,16,20)合金非晶条带。实验中尝试以不同速度对Fe86-xBxMn4Zr8Nb2合金进行快淬,最终确定40 m/s的快淬速度,此时合金快淬带通过XRD检测分析表明形成了非晶结构。合金的初始晶化温度和居里温度都随着B含量的添加而逐渐升高,合金的居里温度从237 K升高到328 K,而合金的初始晶化温度在900 K左右,居里温度远比初始晶化温度低得多,因此合金在应用温度区间不会发生晶化。合金在居里温度附近发生铁磁—顺磁二级相变,没有磁滞后,无相变热。随着B含量的添加,合金熵变逐渐降低, x=4、8、12、16、20时在3 T的外加磁场下最大熵变分别为2.19 Jkg-1K-1、1.97 Jkg-1K-1、1.63 Jkg-1K-1、1.58 Jkg-1K-1、1.38 Jkg-1K-1。 同样用熔体快淬法制得Fe82B4Mn4Zr8-xRxNb2(x=0,4;R=La,Ce,Pr,Nd,Gd)合金非晶条带,研究稀土元素掺杂对Fe82B4Mn4Zr8-xRxNb2合金磁性和磁热效应的影响。掺杂稀土元素后,不同稀土元素对合金的初始晶化温度产生的影响不同。合金在居里温度附近发生铁磁-顺磁相变,未发生突变,为二级相变。没有磁滞后,热滞极小。合金的居里温度远远低于合金的初始晶化温度,在应用温度区间合金不会发生晶化,具有良好的稳定性。未掺杂稀土元素时合金磁熵变和制冷能力(RC)值分别为2.19 Jkg-1K-1和292 Jkg-1。掺杂稀土元素La后,合金居里温度升高到252 K,熵变基本不变,在3 T外磁场下为2.19 Jkg-1K-1,但半峰宽变宽,RC值提高到310 Jkg-1;掺杂 Ce后,合金居里温度略微下降到230 K,熵变和RC值下降较大,在3 T外磁场下熵变为1.64 Jkg-1K-1,RC值为212 Jkg-1;掺杂Pr后,合金居里温度提高较大,为280 K,非常接近室温,同时熵变也有一定提高,在3 T外磁场下为2.29 Jkg-1K-1,但RC下降到271 Jkg-1;掺杂Nd后,合金居里温度为249K,略微升高,在3 T外磁场下的熵变值下降到2.14 Jkg-1K-1,RC值下降到274 Jkg-1;掺杂Gd后,合金居里温度大幅提高到318 K,同时合金熵变和RC值也出现了显著的下降,在3 T外加磁场下磁熵变为1.56 Jkg-1K-1,RC值为178 Jkg-1。掺杂稀土元素后,合金温跨均很宽,在100 K以上。 同样用熔体快淬法制得Fe82-xCoxMn4B4Zr8Nb2(x=0,2,4,6,8)合金非晶条带,探索用过渡族金属Co替代部分Fe对合金磁性和磁热效应的影响。合金条带通过XRD检测分析表明,所有合金形成了非晶结构。DSC检测表明,Co元素的添加对合金的初始晶化温度影响不大。随着Co含量的增加,合金的居里温度从237 K增加到368 K。合金的居里温度远低于合金的初始晶化温度。合金在应用温度区间,不会发生晶化,具有良好的热稳定性。合金在居里温度附近发生铁磁—顺磁二级相变,没有磁滞后,无相变热。当Co添加原子比为2时,合金在3 T外场下的熵变出现急剧下降,从x=0时的2.19 Jkg-1K-1下降到x=2时的1.64 Jkg-1K-1,RC值从292 Jkg-1下降到210 Jkg-1,随着Co含量的进一步添加,合金熵变和RC值基本不变,当x=4、6、8时,3 T外磁场下对应的磁熵变分别为1.69、1.77和1.73 Jkg-1K-1;RC值分别为220、202和215 Jkg-1。合金温跨很宽,在100 K以上。