【摘要】：基于磁熱效應(MCE)的磁制冷技術(MR)具備高效節(jié)能,環(huán)境友好和易于小型化的優(yōu)勢,被認為是最有前途取代氣體壓縮制冷的綠色制冷技術。埃里克森循環(huán)作為一種再生循環(huán)非常適合于大溫跨磁制冷機并被廣泛采用。為了實現埃里克森循環(huán)的高效運行,需要在工作溫度范圍內保持恒定的磁熵變(ΔS_M),且寬化的(-ΔS_M)-T曲線會導致更大的制冷能力(RC),因而開發(fā)具備寬化甚至平臺狀(-ΔS_M)的磁制冷材料至關重要。構建具備多重磁相變的原位非晶納米晶復合結構是一種獲得平臺狀(-ΔS_M)的可行方式。在本論文中,我們以Gd-Co(Fe)-Mn(Zn,B)系列合金為研究對象,通過成分調控和晶化熱處理的辦法,成功構建了具備多重磁相變的Gd基非晶納米晶復合結構并獲得了平臺狀的(-ΔS_M)-T曲線與優(yōu)化的制冷能力RC。我們以單輥快淬工藝制備得到Gd_(55)Co_(45-x)Mn_x(x=5,10,15,20)快淬合金。XRD結果表明所有Gd_(55)Co_(45-x)Mn_x合金均為非晶結構。隨著Mn含量的增加,Gd_(55)Co_(45-x)Mn_x(x=5,10,15,20)快淬合金的居里溫度T_C和磁熵變峰值(-ΔS_M)~(max)均減小。研究了晶化熱處理保溫時間對磁熱性能的影響以確定獲得最佳RC的工藝。經后續(xù)600 K/30 min晶化熱處理,退火態(tài)Gd_(55)Co_(35)Mn_(10)合金展現出平臺狀的(-ΔS_M)-T曲線與優(yōu)化的RC。在0-5 T外加磁場下,退火態(tài)Gd_(55)Co_(35)Mn_(10)合金在137-180 K溫區(qū)出現磁熵變平臺且具有最優(yōu)的RC值(536 J/kg)。平臺狀的(-ΔS_M)-T曲線歸結于析出的Gd_3(Co,Mn)和Gd_(12)(Co,Mn)_7相與非晶基體的共同影響。以50 m/s銅輥線速度制備的Gd_(65-x)Co_(35)Zn_(10)(x=0,10,20)快淬合金為非晶結構。隨Gd含量的減少,磁熵變峰值(-ΔS_M)~(max)單調遞減而居里溫度T_C單調遞增。Gd_(65)Co_(35)Zn_(10)快淬合金經600 K分別保溫30,40和60 min的熱處理后,XRD與TEM分析結果表明退火態(tài)Gd_(65)Co_(35)Zn_(10)合金條帶中析出了Gd_3(Co,Zn)和Gd_(12)(Co,Zn)_7相。0-5 T外加磁場下,退火態(tài)Gd_(65)Co_(35)Zn_(10)合金條帶呈現溫跨從68到198 K的磁熵變平臺,以及與之伴隨的寬溫區(qū)大磁熱效應(RC_(AREA)達773 J/kg)。此外,退火態(tài)Gd_(55)Co_(35)Zn_(10)合金在154-204K溫區(qū)出現磁熵變平臺,其RC_(AREA)達619 J/kg。最后,我們研究了Gd-Fe-Zn與Gd-Fe-B非晶納米晶體系。B含量更高的Gd_(65)Fe_(30)B_5快淬合金展現出2個分別在在132和156 K處的磁性轉變,與Gd_(65)Fe_(35-x)B_x(x=0,1,3)快淬合金在~290 K處的一個磁性轉變截然不同。降低輥速能提高Gd_(65)Fe_(30)B_5快淬合金的磁熱效應。以30 m/s銅輥線速度制備的Gd_(65)Fe_(30)B_5快淬合金在5 T外加磁場下,磁熱性能為(-ΔS_M)~(max)=12.12 J/(kg?K),RC=903 J/kg。盡管沒能獲得平臺狀磁熵變曲線,Gd_(65)Fe_(25)Zn_(10)快淬合金與Gd_(65)Fe_(35-x)B_x(x=0,1,3)快淬合金均展現出優(yōu)于一些室溫溫區(qū)磁制冷材料的RC,因此有潛力作為候選的室溫磁制冷材料。
【圖文】：

社會工業(yè)生產和公共生活中，并扮演著難以替代的角色。然而，自 20 世紀 90 年代以來，隨著環(huán)境污染和能源短缺問題日益突出，在人類社會的各個技術領域都出現了一種大趨勢——用資源節(jié)約、環(huán)境友好型技術來替代或革新傳統(tǒng)技術。聯合國氣候變化框架公約（UNFCCC）于 2015 年通過的巴黎氣候協議（法文：Accord de Paris）約定于 2020 年開始處理溫室氣體減排，適應和融資，，該協議旨在通過保持本世紀全球溫度上升遠低于工業(yè)化前水平 2 攝氏度來應對全球氣候變化威脅，并努力將溫度升幅進一步限制在 1.5攝氏度，主要實現途徑是在各個技術領域開發(fā)低排放技術以取代高排放技術，全球已有195 個成員國的簽署了該協議，協議要求見圖 1 1。而在每年占據全球大量溫室氣體排放值的制冷領域，鑒于傳統(tǒng)氣體壓縮制冷技術已經違背了保護環(huán)境和節(jié)約能源這兩大潮流，勢必需要尋找環(huán)境友好和資源節(jié)約的新型制冷技術來克服傳統(tǒng)氣體壓縮制冷的弊端。傳統(tǒng)氣體壓縮制冷技術主要有兩大弊端：(1)高能耗、低效率；(2)氯氟烴物質 CFC以及含氫氯氟烴 HCFC 制冷劑，破壞臭氧層，對環(huán)境造成嚴重的危害。

圖 1 2 磁制冷技術原理示意圖Fig. 1 2 Schematic diagram of magnetic refrigeration technology冷技術的發(fā)展歷程技術的發(fā)展可以追溯到 19 世紀，在 1881 年 Warburg 首先觀察磁熱效應（MCE）[3]。隨后，1926 年 Debye[4]和 1927 年 Giauq磁熱效應的本質，并提出在實際應用中可利用絕熱退磁過程獲溫物理獲得 μK 級低溫的標準手段。作為一項高新綠色制冷技杰出工作，磁制冷材料在低溫和極低溫領域的研究已較為成熟，但商業(yè)應用前景更廣闊的室溫和近室溫磁制冷領域還輒待深在實際應用場合運行的磁制冷樣機方面，已經取得了重要進展學家 brown 首次在實驗室中用 Gd 為磁制冷材料，在 7 T 外加6]。1996 年，美國宇航公司與位于依阿華大學的美國國家能源
【學位授予單位】：華南理工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TB64

【參考文獻】

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1 ;Magnetic properties and large magnetocaloric effects in amorphous Gd-Al-Fe alloys for magnetic refrigeration[J];Science China(Physics,Mechanics & Astronomy);2011年07期

本文編號：2603422