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LaFeSi系合金室温磁热性能及循环稳定性研究

作　者: 袁泽明
导　师: 张邦文
学　校: 内蒙古科技大学
专　业: 材料学
关键词: La(Fe, Co, Si)13合金 磁熵变 循环磁化 循环稳定性 结构演变
分类号: TG146.45
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要


高能效的室温磁致冷技术取代传统的气体压缩致冷具有很大潜力。作为极具吸引力的磁制冷剂候选材料，LaFeSi系合金在发生磁性转变时常伴随着晶格参数和体积变化，在热和磁场中循环时，这种变化会不可避免地导致材料性能及结构衰变，严重制约其实际应用。因此，研究这类材料的磁化疲劳退化、磁致冷时效及其伴随的结构演变等问题，对LaFeSi系磁致冷材料的应用具有重要实用价值和科学意义。本文采用电弧熔炼，在120h、1373K热处理条件下制备了主相为NaZn13型相的La(Fe1-xCox)13-ySiy（x=0.06,0.07; y=1.1,1.2,1.3）磁致冷材料。通过XRD、SEM、TEM对合金的相组成及微观结构进行了表征；使用SQUID对合金的磁性相变及磁热性能进行了研究，使用磁热效应直接测量仪测试了合金的磁化绝热温差值；通过磁化-去磁化循环过程中的绝热温差最大值与循环次数的关系实验研究了材料的循环稳定性能；采用HRTEM分析对La(Fe0.94Co0.06)11.8Si1.2材料在磁致冷循环使用过程中的结构演变进行了研究。得出如下主要结论：随着Co、Si元素含量的增加，α-Fe杂相明显减少，替代元素明显促进了合金在热处理过程中NaZn13型主相的生成，得到了La(Fe1-xCox)13-ySiy（x=0.06，0.07；y=1.2，1.3）单相合金。单相合金的晶粒尺寸在微米级以上；不完全退火的合金中α-Fe杂相呈岛状弥散地分布于NaZn13型主相中，最小晶粒尺寸小于50nm。La(FeI1-xCox)11.8Si1.2合金中，替代元素Co含量的增加明显提高了居里温度Tc值，同时抑制了热滞现象，Co含量越高则磁熵变ΔS和绝热温差ΔTad值越小；La(Fe0.94Co0.06)13-ySiy合金和La(Fe0.93Co0.07)13-ySiy合金中，替代元素Si的含量越少则杂相越多，绝热温差ΔTad越小。得到了居里温度为287K，工作温区超过20K，等温熵变ΔS为14.1J/kg·K（H=5T），绝热温差ΔTad为2K（H=1.4T）的La(Fe0.94Co0.06)11.8Si1.2理想室温磁致冷材料。La(Fe0.94Co0.06)11.9Si1.1、La(Fe0.94Co0.06)11.8Si1.2合金材料具有很好的循环稳定性能，在循环到一千次时绝热温差最大值仅降低了3%，并且在循环超过一万次时也没有出现机械完整性破坏，说明本文制备出的磁致冷材料具有实际应用潜力。随着循环次数的增加，La(Fe0.94Co0.06)11.8Si1.2材料的晶界上晶格畸变程度越来越大，甚至失去晶体结构特征；而且晶界宽度也在增加，从几个原子面宽度演变到几纳米、数十纳米；材料的晶粒内部出现了亚晶界、位错结构。这些缺陷会增加铁磁态的静磁能，使得磁化过程中畴壁位移困难而产生磁滞，是磁熵变及磁制冷能力衰减的主要原因。

全文目录


摘要  3-5
Abstract  5-10
引言  10-11
1 文献综述  11-30
  1.1 磁致冷原理  11-14
    1.1.1 磁致冷热力学原理  11-13
    1.1.2 磁热效应的测量  13-14
  1.2 磁致冷发展简史  14-15
  1.3 LaFeSi 系稀土磁致冷材料  15-25
    1.3.1 LaFe_(13-x)Si_x的磁热效应  16-17
    1.3.2 Co, Mn 和磁性 R 参杂的 LaFe_(13-x)Si_x的 MCE  17-20
    1.3.3 La(Fe_(1-xS)i_x)13中间隙原子的影响  20-21
    1.3.4 氢化、加压、磁性 R 参杂对 LaFe_(13-x)Si_x的影响  21-23
    1.3.5 La(Fe_(1-x)Si_x)13基合金的磁滞后  23-24
    1.3.6 La(Fe,Si)13基化合物 MCE 的直接测量  24-25
  1.4 实际应用的发展  25-26
  1.5 选题背景及意义  26-30
2 实验设计与实验方法  30-37
  2.1 实验设计  30-31
  2.2 实验方法  31-37
    2.2.1 材料的制备  31-32
    2.2.2 X 射线衍射(XRD)分析  32
    2.2.3 SEM、TEM 与 HRTEM 微观结构观察  32-33
    2.2.4 磁性测量  33-34
    2.2.5 磁热性能直接测量  34-36
    2.2.6 磁化-去磁化循环磁热稳定性能测量  36-37
3 材料的表征及性能  37-51
  3.1 材料的结构表征  37-40
  3.2 材料的磁性相变  40-42
  3.3 材料的磁热性能  42-49
  3.4 材料的磁热性能直接测量  49-50
  3.5 本章小结  50-51
4 材料的循环稳定性及微观结构演变  51-66
  4.1 材料的循环稳定性  51-52
  4.2 La(Fe_(0.94)Co_(0.06))_(11.8)Si_(1.2)材料的微观结构演变  52-63
    4.2.1 La(Fe_(0.94)Co_(0.06))_(11.8)Si_(1.2)材料循环磁化前的微观结构  53-57
    4.2.2 材料循环磁化后晶界的微观结构演变  57-59
    4.2.3 材料循环磁化后晶粒内的微观结构演变  59-63
  4.3 不可逆结构演变与磁热性能衰变的联系  63-65
  4.4 本章小结  65-66
结论  66-67
参考文献  67-73
在学研究成果  73-74
在学期间参加科研项目  74
致谢  74-75

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中图分类: > 工业技术 > 金属学与金属工艺 > 金属学与热处理 > 金属材料 > 有色金属及其合金 > 稀有金属及其合金 > 稀土金属
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