本文選題：熔體抽拉　切入點：Gd基合金纖維　出處：《哈爾濱工業(yè)大學》2017年博士論文　論文類型：學位論文

【摘要】：基于磁熱效應的磁制冷技術具有高效節(jié)能、綠色環(huán)保、可靠性高等特點,是傳統(tǒng)的氣體壓縮膨脹制冷的潛在替代方式。Gd基非晶合金結(jié)合了非晶合金的優(yōu)點和Gd元素大原子磁矩的特征,在居里溫度附近呈現(xiàn)優(yōu)異的磁熱性能,是磁制冷機的理想制冷工質(zhì)。相對于塊體非晶,微米級Gd基合金纖維具有極大的表面體積比,因此在制冷系統(tǒng)熱循環(huán)中具有極高的熱交換效率,近一維結(jié)構特征使其具有優(yōu)異的機械適應性,可以壓制形狀復雜的制冷工質(zhì)以適應磁制冷系統(tǒng)。本文采用熔體抽拉技術制備微米級GdAlCo快凝非晶纖維,優(yōu)化制備工藝,研究成分配比對纖維磁熱效應的影響,分析纖維間相互作用提高磁熱性能機制以及纖維磁熱各向異性對磁熱性能的影響,并采用多個相變過程疊加的方式進一步拓寬纖維制冷溫區(qū)。上述研究無疑對推進GdAlCo纖維在磁制冷領域的應用具有十分重要的意義。纖維表面質(zhì)量與熔融合金進給速度有著重要關系:當熔融合金進給量較小時,由于粘附層合金液較少,表面張力較大,對擾動影響敏感導致其表面形成明顯的瑞利波缺陷,但纖維截面圓度較好;當熔融合金進給量大時,過多的粘附層造成合金液表面張力低,來不及圓化便凝固致使纖維存在溝槽缺陷,因此GdAlCo非晶纖維熔體抽拉制備優(yōu)化工藝參數(shù)為:加熱功率約為4kW;輥輪轉(zhuǎn)速為1700r/min,線速度約為30m/s;熔融合金進給速度為20μm/s。纖維微觀結(jié)構分析表明其基體為非晶態(tài),但仍存在著非均勻分布的納米晶,這些納米晶的產(chǎn)生是由于制備過程中非均勻分布的內(nèi)應力所導致的。此外,熔體抽拉GdCoAl纖維由于其本身的非晶態(tài)結(jié)構使其具有優(yōu)異的機械性能,具有優(yōu)異的拉伸斷裂強度和使用可靠性,可滿足磁制冷系統(tǒng)對制冷工質(zhì)力學性能的要求。熔體抽拉GdAlCo纖維具有優(yōu)異的磁熱性能,纖維熱磁曲線分析和磁熵變歸一化計算表明其在居里溫度附近隨溫度升高呈典型的鐵磁順磁二級磁相變特征;纖維工作溫區(qū)為液氮溫區(qū)附近,各方面磁熱性能均優(yōu)于同成分塊體非晶合金,5T變化外場下最大磁熵變值(-ΔSMmax)均為10J/kg·K左右,其寬的鐵磁順磁轉(zhuǎn)變區(qū)間使得纖維具有極高的制冷效率;GdAlCo合金原子百分比發(fā)生微量變化時,纖維磁熱性能變化不大,符合非晶合金性能對元素含量變化不敏感的特性,但居里溫度TC存在著明顯的差異;纖維在居里溫度處的臨界指數(shù)和磁狀態(tài)計算數(shù)值均偏離平均場理論,這種偏離行為是纖維非晶基體上存在著非均勻分布的納米晶所導致的。與同成分塊體非晶合金和單根纖維相比,Gd_(53)Al_(24)Co_(20)Zr_3非晶集束纖維3T外場下最大磁熵變可達6.94J/kg·K,具有更優(yōu)異的磁熱性能;三種狀態(tài)合金臨界指數(shù)和磁狀態(tài)計算結(jié)果相近,均接近于平均場理論,表明三者的結(jié)構狀態(tài)接近完全非晶態(tài)。集束纖維磁熱性能更優(yōu)異的原因是相同溫度和外場下具有更高的磁化強度,這是由于纖維之間退磁化作用引起的。顯而易見,纖維近一維幾何形狀特性導致其存在磁熱各向異性,單根纖維與集束纖維的磁熱各向異性行研究表明;纖維易磁化方向飽和場低,達到飽和后兩個方向的磁化強度基本相同,但集束纖維在在兩個方向上的飽和場由于退磁化作用要比單根纖維高。納米晶/非晶雙相復合結(jié)構可以有效提高纖維的制冷效率,其原因是雙相相變過程疊加及納米晶相與非晶基體交互作用共同作用結(jié)果;通過熱處理的方式可以使纖維的內(nèi)應力得到釋放并在其非晶基體上產(chǎn)生納米晶,從而改善纖維的磁熱性能。將不同居里溫度、相近磁熱性能的纖維按一定的比例混合在一起,形成多相變疊加纖維復合材料可進一步提高制冷工質(zhì)的工作溫區(qū)及制冷效率。理論計算和實際測試發(fā)現(xiàn),只有不同纖維居里溫度間隔大于10K時復合材料的工作區(qū)間及制冷效率才明顯擴大,并且隨著居里溫度間隔的增加而增加。相對于雙成分復合,三成分復合方式可以獲得更寬的類平臺狀磁熱性能制冷工作,這種具有平臺狀磁熱性能材料更符合磁制冷中制冷工質(zhì)隨溫度變化下磁熱性能穩(wěn)定的要求。
[Abstract]:......
【學位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TQ343.2

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本文編號：1557108