稀土基多相合金磁热效应研究

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基于磁热效应的磁制冷技术较传统的气体压缩制冷方式更节能和环保,是极具有应用前景的新型固体制冷方式。优良的磁致冷工质对磁制冷技术的实现起到关键作用。考虑到 Gd-Co(Ni)-Al三元合金相图中存在许多具有良好磁热效应的铁磁性合金相以及由这些合金相构成的多相区,本文通过合理选择成分,使合金在铸态和适当的热处理条件下获得包含多个铁磁性合金相(结晶相或非晶相)的多相结构,进一步研究了多相合金的结构、磁性和磁热效应。通过成分优化,利用多相合金中连续的多个磁相转变的特点,获得了具有“桌面型”磁热效应的多相磁致冷材料,可以满足磁制冷机中埃里克森循环对工质磁熵变的要求。本研究有利于加深对多相合金磁热效应的理解,对推动多相磁致冷材料在磁制冷机中的应用具有重要的指导意义。本文的主要研究结果如下:  1.在 Gd-Co-Al三元合金系中,在电弧熔炼和吸铸制备的 Gd53Co19Al28和Gd52.5Co16.5Al31合金中获得了“桌面型”磁热效应。Gd53Co19Al28合金包含Gd2Al、Gd2Co2Al和GdCo0.74Al1.26晶体相;Gd52.5Co16.5Al31合金则包含了Gd2Al、Gd2Co2Al晶体相以及非晶结构相。由于连续的磁相转变,当外加磁场变化为0-50 kOe时,Gd53Co19Al28和Gd52.5Co16.5Al31合金在液氮温区附近出现“桌面型”磁热效应,其磁熵变平台的高度分别为7.3 J/kgK和7.0 J/kgK。进一步研究表明,Co原子合金化导致的Gd2Al相磁熵变增加是Gd-Co-Al多相合金中磁熵变平台产生的重要原因。  2.在 Gd-Ni-Al三元合金体系中,系统研究了GdNixAl2-x(0.35≤x≤0.70)多相合金的成分、结构、磁性和磁热效应的关系,并获得了“桌面型”磁热效应。在合金成分靠近GdNiAl端时,合金具有大的等温磁熵变;成分靠近GdAl2端的合金表现出了增强的半高宽和制冷能力。特别地,由于合理分布的铁磁相的居里温度和适宜的相比例,GdNi0.40Al1.60合金在0-50 kOe磁场变化下的磁熵变曲线表现出了磁熵变平台特征,其最大磁熵变和制冷能力分别为8.8 J/kgK和567 J/kg。通过改变磁相转变发生的温度区间大小和相比例等参数,可以有效调节多相合金的磁热效应特征。这为研究和制备优良的磁致冷材料提供了新的思路。  3.通过进一步调节三元多相合金的成分,在包含三个铁磁合金相的Gd-Ni-Al多相合金中分别获得了优良的“桌面型”磁热效应和邻近的居里温度特征。Gd28Ni24Al48合金中的各铁磁性合金相具有邻近的居里温度,其磁熵变曲线只有一个幅度较大的单峰;而Gd33Ni13Al54合金中各铁磁相的居里温度分布在较宽的温区内,它的磁熵变曲线表现出了“桌面型”特征,并且具有显著增强的制冷能力。在0-50 kOe磁场变化下,Gd33Ni13Al54合金的最大磁熵变和制冷能力分别是9.2 J/kgK和591 J/kg。优良的磁熵变平台特征以及大的制冷能力,使得Gd33Ni13Al54合金成为工作在45 K附近的埃里克森循环磁制冷机的良好候选工质。
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