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热磁发电发电机模型设计与热磁发电材料性能研究

作 者: 刘雨江
导 师: 特古斯
学 校: 内蒙古师范大学
专 业: 凝聚态物理
关键词: 一级相变 磁热效应 热磁发电
分类号: TM619
类 型: 硕士论文
年 份: 2013年
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内容摘要


一级相变MnFeP1-xAsx系列化合物以其巨磁热效应、横跨室温的制冷温区,引起了制冷企业与科学家的普遍关注。但有毒元素As的加入,使得人们对该系列材料能否成为环保型磁制冷工质产生了担忧。所以在近十年的研究中,As逐渐被Ge和Si替代。Si是目前替代As最廉价,也是地球上含量仅次于氧的丰富元素。一级相变材料不仅可以用于磁制冷,也可以用于热磁发电。本文报道了一级相变MnFe(P,Si)系列化合物的制备方法、结构表征、磁热效应和热磁发电性能。实验结果表明,用机械合金技术和固相烧结合成方法制备的MnFe(P,Si)系列化合物,成相良好,均形成了主相为Fe2P的六角晶体结构,空间群为P62m。杂相为少量的(Mn,Fe)3Si。一级相变材料显著特征是存在热滞后现象。为了降低磁制冷循环中热损耗,实验中利用少量V元素去替代Mn1.3Fe0.7P0.45Si0.55中的Fe。实验结果表明,Mn1.3Fe0.7-xVxP0.45Si0.55(x=0,0.05,0.10,0.15)系列化合物的居里温度随着V含量的变化而连续可调。虽然对热滞没有明显影响,但从等温磁熵变的曲线可以看出,曲线的半峰宽随着V含量的增加而逐渐增大,可以提高磁工质工作温区的连续性。本文重点研究了居里温度分布在340K左右的化合物的热磁发电性能。在前人研究的基础上,制备出了Mn1.1Fe0.8PxSi1-x系列化合物,其中x=0.4,0.42,0.44,0.46。实验结果表明,该系列化合物成相良好,晶格常数a,晶胞体积V和居里温度(Tc)均随着x的增加而降低,但是磁熵变(-ΔSm)随着x的增加而增大。在1.5T变化的磁场下,当P的含量为0.46时,化合物在1.5T变化的磁场下的最大磁熵变为18.4J/(kg·K)。在实验中,将x=0.46时对应的化合物Mn1.1Fe0.8P0.46Si0.54用于热磁发电,结果显示,热磁发电电流的最大值可达1.38mA/kg。科学地设计热磁发电演示装置是实现热磁发电的重要组成部分。实验中使用的装置主要由三部分组成:外加磁场(主要是电磁铁和永磁铁的配合)、自制感应线圈(绕制的线圈匝数分别为1000,1500,2000,2500,3000)和冷热循环系统(热水和冷水的转换)。线圈中放有的热磁材料,在驱动磁铁的作用下被磁化后,通过冷热水交换使其发生骤冷骤热的变化,来达到顺磁态和铁磁态的互相转变,从而引起外部感应线圈磁通量的变化,产生感应电流,并将读数显示在电流表上。我们将实验分为两组,首先测试了同匝数同磁场不同质量化合物的热磁发电性能;其次测试了同质量同磁场不同线圈匝数的热磁发电性能。实验结果显示,对于同质量的样品,热磁发电电流的大小与线圈匝数成正比;而对于同一个线圈,电流的大小又与质量成正比。

全文目录


中文摘要  4-6
ABSTRACT  6-8
CONTENTS  8-12
Chapter 1 Introduction  12-23
  1.1 The background of power generation  12-14
  1.2 Thermomagnetic power generation (TMPG)  14-15
  1.3 First-order phase transition materials  15-18
    1.3.1 Gd5(SixGe1-x)4compounds  15-16
    1.3.2 NaZn13-type materials  16
    1.3.3 (LaxM1-x)MnO3  16-17
    1.3.4 MnAs-Based compounds  17
    1.3.5 Fe2P-type materials  17-18
  1.4 Research foundation and studying significance of TMPG  18
  1.5 The main content of this thesis  18-19
  References  19-23
Chapter 2 Theoretical aspects  23-34
  2.1 The principle of MCE  23-26
  2.2 Theory of phase transition  26-27
  2.3 Magnetic field and electromagnetic induction  27-31
    2.3.1 Typical magnetic field  27-30
    2.3.2 Electromagnetic induction  30-31
  2.4 The principle of TMPG  31-33
  References  33-34
Chapter 3 Experimental techniques  34-41
  3.1 Introduction  34
  3.2 Moulds manufacturing  34-35
  3.3 Sample preparation in large scale  35-37
  3.4 The X-ray diffraction (XRD)  37-38
  3.5 Magnetic measurement  38-39
  3.6 The equipments used in TMPG  39-41
Chapter 4 MCE of Mn_(1.3)Fe_(0.7-x)V_xP_(0.45)Si_(0.55)compounds  41-48
  4.1 Introduction  41-42
  4.2 Experimental  42-43
  4.3 Results and discussion  43-46
  4.4 Conclusions  46
  References  46-48
Chapter 5 The high TCmaterials hunting for TMPG in FOPT materials  48-56
  5.1 Introduction  48-50
  5.2 Experimental  50
  5.3 Mn_(1.1)Fe_(0.8)P_xSi_(1-x)(x = 0.4, 0.42, 0.44, 0.46) compounds  50-55
    5.3.1 Crystal structural  50-51
    5.3.2 Magnetic properties  51-55
  5.4 Conclusions  55
  References  55-56
Chapter 6 The TMPG capability of Mn_(1.1)Fe_(0.8)P_(0.46)Si_(0.54)compound  56-63
  6.1 Introduction  56
  6.2 Power generation system  56-60
    6.2.1 Material for TMPG  57-58
    6.2.2 Homemade induction coils  58-59
    6.2.3 Magnetic field and thermal circular system  59-60
  6.3 TMPG capability of Mn_(1.1)Fe_(0.8)P_(0.46)Si_(0.54)  60-61
  6.4 Discussion and expectation  61-62
  References  62-63
Summary and Outlook  63-71
Acknowledgements  71-72
Publications  72
Projects  72

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中图分类: > 工业技术 > 电工技术 > 发电、发电厂 > 各种发电 > 其他能源发电
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