本文關鍵詞：Mn-Fe-P-Si系合金的結構、相變和磁熱效應研究

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【摘要】：室溫磁制冷是一種高效、節(jié)能、環(huán)保的綠色制冷技術。磁制冷材料的研究和開發(fā)是實現室溫磁制冷的關鍵技術之一,正成為各國科研的重要攻關項目,只有選擇和開發(fā)合適的磁制冷材料,才能加快推進磁制冷技術的商業(yè)化進程。Mn-Fe-P-Si系列磁制冷材料由于原材料成本低、制備工藝簡單、磁熱性能優(yōu)異,是目前研究最為熱門的室溫磁制冷材料。但是,Mn-Fe-P-Si系列合金存在對成分變化敏感、熱滯大等問題,研究進程受到一定的阻礙。本論文首先采用球磨燒結工藝制備了Mn Fe P0.55Si0.45-xGex(x=0,0.01,0.03,0.05)合金,研究了Ge摻雜對合金的相結構及原子的占位、磁性能和磁熱效應的影響,并通過對合金顯微組織及成分的分析探討了影響磁熱效應的微觀機制。結果表明:合金均形成了Fe2P型主相和Fe5Si3雜相;合金的居里溫度隨Ge含量的增加而增加,由x=0時的276 K增加到x=0.05時的318 K;熱滯隨Ge含量的增加有較大幅度的降低;Mn Fe P0.55Si0.45-xGex合金在0-2 T外磁場下的最大磁熵變僅為5.36 J·kg-1K-1,但溫跨高達30 K,遠大于常見的一級相變材料。點陣參數的分析表明P原子并不是隨機分布在晶胞的1b和2c位置,而是優(yōu)先占據1b位置,Si、Ge原子則優(yōu)先占據2c位置。本文還采用熔煉及銅模鑄造工藝制備了Mn1.15Fe0.85P0.55-xSi0.45Bx(x=0.03,0.05)合金,研究了退火溫度對合金的結構、磁熱性能、顯微組織、耐腐蝕性及相變類型的影響。研究表明,鑄態(tài)及退火態(tài)的合金均形成了六角Mn1.9P型主相和少量六角Mn3Fe2Si3雜相。在較低溫度退火時,合金中存在少量的非晶和納米晶;隨著退火溫度的升高,晶化相的含量有所增加,而雜相的相對含量變化不大。Mn1.15Fe0.85P0.52Si0.45B0.03合金經1123 K、1223 K、1323 K和1423 K退火處理后,居里溫度分別為205 K、210 K、227 K和251 K,熱滯有所降低,0-2 T外磁場下的最大等溫磁熵變分別為0.6、5.0、19.1和19.8 J·kg-1K-1,合金的耐腐蝕性遠遠高于Gd,且隨退火溫度升高而增加。Mn1.15Fe0.85P0.50Si0.45B0.05合金進行1323 K、1373 K和1423 K退火處理后,居里溫度和磁熵變也隨退火溫度的升高而增大,但熱滯變化不大。退火溫度每升高50 K,合金的居里溫度約升高5 K;1423 K退火的合金居里溫度為244 K,熱滯為11.5 K,磁熵變?yōu)?7.0 J·kg-1K-1。最后采用熔煉及鑄造工藝研究了退火時間對非化學計量比的Mn1.1Fe0.8P0.5Si0.5合金的結構和磁熱性能的影響,并對合金的相變行為進行了詳細的探討。不同時間退火處理的合金均形成了六角Mn1.9P型主相和極少量六角Mn3Fe2Si3雜相。經1423 K退火48 h、64 h、80 h和96 h后合金的居里溫度分別為278 K、282 K、293 K和291 K;熱滯隨退火時間的延長變化不大,分別為16 K、16 K、18 K和19 K;0-2 T外磁場變化下的最大磁熵變值分別為23.4、25.1、31.9和32.1 J·kg-1K-1。Arrott曲線理論及“普適曲線”方法均表明Mn1.1Fe0.8P0.5Si0.5合金發(fā)生二級相變,但是熱磁曲線及磁熵變分析表明合金發(fā)生的是明顯的一級相變。綜合分析指出,采用Arrott曲線分析相變類型的存在一定的局限性,對于不發(fā)生場致變磁轉變的合金,其相變類型需要通過熱磁曲線、等溫磁化曲線及磁熵變進行綜合判斷。大的磁熱效應、簡單的制備工藝和理想的居里溫度使得Mn-Fe-P-Si系列合金有望成為室溫溫區(qū)最具競爭力的磁制冷材料。
【關鍵詞】：磁制冷 磁熱效應 Mn-Fe-P-Si合金 熱滯 退火
【學位授予單位】：華南理工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TB64
【目錄】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-11
• 第一章 緒論11-26
• 1.1 引言11-12
• 1.2 磁制冷技術及原理12-14
• 1.2.1 磁制冷技術的基本原理12-13
• 1.2.2 磁熱效應的熱力學原理13-14
• 1.3 磁制冷材料的性能表征14-17
• 1.3.1 磁制冷材料的評價指標及選用原則14-15
• 1.3.2 磁熱效應的測量方法15-17
• 1.4 室溫磁制冷的研究現狀17-24
• 1.4.1 磁制冷機的發(fā)展進程17-18
• 1.4.2 室溫磁制冷材料的研究現狀18-20
• 1.4.3 MnFeP系列合金的研究進展20-24
• 1.5 本文的研究目的及主要研究內容24-26
• 第二章 樣品的制備及性能表征26-32
• 2.1 樣品的制備26-28
• 2.1.1 塊狀MnFePSiGe合金的制備26-27
• 2.1.2 MnFePSi合金的制備27-28
• 2.2 性能表征28-32
• 2.2.1 物相結構分析28-29
• 2.2.2 微觀結構及成分分析29-30
• 2.2.3 磁性能測試30-31
• 2.2.4 耐腐蝕性測試31-32
• 第三章 MnFeP_0.55Si_0.45-xGe_x合金的結構、磁性及磁熱效應32-41
• 3.1 引言32-33
• 3.2 MnFeP_0.55Si_0.45-xGe_x合金的晶體結構33-34
• 3.3 MnFeP_0.55Si_0.45-xGe_x合金的磁性能及磁熱效應34-37
• 3.4 MnFeP_0.55Si_0.45-xGe_x合金的顯微組織分析37-39
• 3.5 本章小結39-41
• 第四章 銅模鑄造Mn_1.15Fe_0.85P_0.55-xSi_0.45B_x合金的結構和磁熱效應41-56
• 4.1 引言41-42
• 4.2 退火工藝對Mn_1.15Fe_0.85P_0.55-xSi_0.45B_x合金結構和性能的影響42-47
• 4.2.1 退火溫度對Mn_1.15Fe_0.85P_0.55-xSi_0.45B_x合金結構的影響42-43
• 4.2.2 退火溫度對Mn_1.15Fe_0.85P_0.55-xSi_0.45B_x合金磁性能的影響43-46
• 4.2.3 Mn_1.15Fe_0.85P_0.55-xSi_0.45B_x合金的耐腐蝕性研究46-47
• 4.3 退火工藝對Mn_1.15Fe_0.85P_0.50Si_0.45B_0.05合金結構和性能的影響47-54
• 4.3.1 Mn_1.15Fe_0.85P_0.50Si_0.45B_0.05合金的結構分析48
• 4.3.2 Mn_1.15Fe_0.85P_0.50Si_0.45B_0.05合金的磁性能分析48-51
• 4.3.3 Mn_1.15Fe_0.85P_0.50Si_0.45B_0.05合金的顯微組織和成分分析51-53
• 4.3.4 Mn_1.15Fe_0.85P_0.50Si_0.45B_0.05合金的相變研究53-54
• 4.4 本章小結54-56
• 第五章 (Mn, Fe)_1.9P_0.5Si_0.5合金的結構、磁熱效應及相變行為研究56-66
• 5.1 引言56
• 5.2 Mn_1.1Fe_0.8P_0.5Si_0.5合金的結構分析56-57
• 5.3 Mn_1.1Fe_0.8P_0.5Si_0.5合金的磁性和磁熱效應分析57-61
• 5.4 Mn_1.1Fe_0.8P_0.5Si_0.5合金的相變行為研究61-64
• 5.5 本章小結64-66
• 結論66-69
• 參考文獻69-77
• 攻讀碩士學位期間取得的研究成果77-79
• 致謝79-80
• 附件80

【參考文獻】

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