烧结温度和石墨烯掺杂对MnFePGe化合物性能和结构的影响

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随着人类社会的发展,环境和能源问题越来越受到关注。磁制冷技术具有不产生温室气体、不破坏臭氧层、高效节能等优点,成为最有希望替代传统压缩制冷的新技术之一。在众多的磁制冷材料当中,MnFePGe材料不仅具有巨大的磁热效应,而且其原材料无毒且成本低廉,成为极具应用前景的磁制冷材料之一。为了优化材料制备工艺,本文利用机械合金化(MA)技术结合放电等离子烧结(SPS)技术,制备了直径38mm的Mn1.2Fe0.8P0.73Ge0.27化合物。在此基础上,制备了初始成分相同烧结温度不同Mn1.2Fe0.8P0.73Ge0.27(名义成分)系列化合物。采用X射线衍射仪(XRD)、差示热量扫描分析仪(DSC)、扫描电镜(SEM)等设备对样品进行了分析,其结果表明:烧结温度的变化与样品中杂相Ge6Fe3Mn4和主相Mn1.2Fe0.8P0.73Ge0.27含量的变化趋势基本一致,而氧化物的含量保持在4%左右,即烧结温度在一定范围内的提高会有效促进杂相向主相的转变;对EBSD结果分析发现,烧结温度的提高使得晶粒尺寸明显增加。DSC的测试结果表明,随着烧结温度的上升,化合物的均匀性得到改善,居里温度Tc下降,两相区变窄,温度诱导相变的剧烈程度明显上升,相变的熵变值剧烈上升,而且熵变与Mn1.2Fe0.8P0.73Ge0.27含量的变化呈对应关系。因此,在一定的温度范围内,可以通过控制烧结温度的方法来提高化合物的纯度和性能。为了提高材料导热性能,本文采用同样的制备技术和分析手段,按照Mn1.2Fe0.8P0.73Ge0.27Cx(x=0,0.001,0.003,0.005,0.021)的比例掺杂石墨烯,制备了系列化合物,并进行了相应的性能和结构分析。扫描电镜和能谱分析的结果表明:石墨烯的掺杂导致化合物中晶粒尺寸减小、单个杂相Ge6Fe3Mn4颗粒和MnO颗粒的尺寸也减小;样品中主相Mn1.2Fe0.8P0.73Ge0.27含量略有下降,Ge6Fe3Mn4杂相含量略有上升,MnO含量基本不受影响。DSC的分析结果表明:石墨烯的掺杂导致了样品热流曲线变得平缓,同时熵变值降低,对样品的磁热性能有一定的损害。而热导率测试的结果表明,石墨烯的极少量掺杂就可大幅度提高化合物的热导率,在磁热性能降低不大的情况下,Mn1.2Fe0.8P0.73Ge0.27Cx(x=0,0.001,0.003)样品的热导率分别为6.9、7.39、9.78 W·m-1·K-1。后两者的热导率与前者的比值分别为1.07、1.42。因此,石墨烯在一定的范围内进行掺杂可在保证对样品磁热性能损害不大的情况下大大提高其导热能力。
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