La(Fe1-xNix)11.5Si1.5合金的组织结构和磁性能研究

来源 :内蒙古工业大学 | 被引量 : 1次 | 上传用户:wangtian575
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磁热效应(Magnetocaloric effect,MCE)是绝热过程中铁磁体或顺磁体的磁熵随外磁场改变而变化,且伴随磁体的吸放热现象。基于MCE效应的磁致冷技术具有高效节能、无污染等特点,符合当今社会低碳经济的发展需求。本文以La(Fe,Si)13系合金为研究对象,通过微量Ni元素掺杂、热处理工艺优化等方式,来调控La基合金的组织结构和磁学性能,奠定了室温磁制冷材料的应用基础。采用真空电弧熔炼技术制备La(Fe1-xNix)11.5Si1.5(x=0,0.01,0.03,0.05)合金,分别在1273K、1323K和1373K退火温度下保温100h,使合金获得NaZn13型结构;通过XRD、OM、SEM和EDS等手段,对Ni掺杂前后制备态及热处理态La基合金的组织结构进行表征;利用磁学测量系统(MPMS)对上述合金的磁学性能(含MCE性能)进行测试,重点分析Ni掺杂量及退火温度对La基合金磁学性能的影响机理。研究结果表明,制备态La(Fe1-xNix)11.5Si1.5合金组织由α-Fe相和LaFeSi相组成,Ni掺杂后合金中出现Ni3Si2相,且在基体中弥散分布。经真空退火处理后的La基合金发生了包析反应,生成NaZn13立方型晶体结构的LaFe9Si4相,Ni3Si2相转变为强铁磁性Ni2Si相。因此,退火温度越高,包析反应越完全,形成LaFe9Si4相含量增大,同时意味着α-Fe相和LaFeSi相含量随之减小,Ni2Si相含量随Ni掺杂量增加而增大。制备态La基合金中存在大量铁磁性α-Fe相,其饱和磁化强度(Ms)较高(166.48emu/g)。对比分析热处理态La基合金的磁学性能指标可知,最大磁导率(μm)较大(0.0588),矫顽力(Hc)约为26Oe,Ms值随Ni掺杂量增加而增大,因热处理后Ni2Si相的生成所致,剩余磁化强度(Mr)较低(1emu/g)。经1273K退火后La(Fe1-xNix)11.5Si1.5(x=0.05)合金的综合磁学性能较好,μm达0.0486,Hc为26.11Oe,Ms达130.67emu/g,Mr为1.38emu/g。基于热处理态La(Fe1-xNix)11.5Si1.5合金磁热性能的分析,居里温度(TC)随Ni掺杂量增加而显著提高至241.86K,这由3d层巡游电子RKKY交换相互作用所决定。同时合金具有从一级结构相变向二级磁相变转变趋势,制冷区间扩大,且磁滞与热滞大幅降低,更接近室温磁制冷应用,其最大磁熵变(-ΔSM)、制冷能力(RC)和相对制冷量(RCP)则略有降低;特别地,经1373K退火处理La(Fe1-xNix)11.5Si1.5(x=0.01)合金的磁热性能优异,当外磁场Hex=5T时,-ΔSM值较高,达20.87J/kg·K,RC和RCP分别达415 J/kg、485 J/kg,这与较高退火温度下形成LaFe9Si4相,改善MCE性能密不可分。
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