稀土Gd基非晶纳米晶复合磁制冷材料的制备与性能研究
发布时间：2020-03-27 21:36
【摘要】：基于磁热效应(MCE)的磁制冷技术(MR)具备高效节能,环境友好和易于小型化的优势,被认为是最有前途取代气体压缩制冷的绿色制冷技术。埃里克森循环作为一种再生循环非常适合于大温跨磁制冷机并被广泛采用。为了实现埃里克森循环的高效运行,需要在工作温度范围内保持恒定的磁熵变(ΔS_M),且宽化的(-ΔS_M)-T曲线会导致更大的制冷能力(RC),因而开发具备宽化甚至平台状(-ΔS_M)的磁制冷材料至关重要。构建具备多重磁相变的原位非晶纳米晶复合结构是一种获得平台状(-ΔS_M)的可行方式。在本论文中,我们以Gd-Co(Fe)-Mn(Zn,B)系列合金为研究对象,通过成分调控和晶化热处理的办法,成功构建了具备多重磁相变的Gd基非晶纳米晶复合结构并获得了平台状的(-ΔS_M)-T曲线与优化的制冷能力RC。我们以单辊快淬工艺制备得到Gd_(55)Co_(45-x)Mn_x(x=5,10,15,20)快淬合金。XRD结果表明所有Gd_(55)Co_(45-x)Mn_x合金均为非晶结构。随着Mn含量的增加,Gd_(55)Co_(45-x)Mn_x(x=5,10,15,20)快淬合金的居里温度T_C和磁熵变峰值(-ΔS_M)~(max)均减小。研究了晶化热处理保温时间对磁热性能的影响以确定获得最佳RC的工艺。经后续600 K/30 min晶化热处理,退火态Gd_(55)Co_(35)Mn_(10)合金展现出平台状的(-ΔS_M)-T曲线与优化的RC。在0-5 T外加磁场下,退火态Gd_(55)Co_(35)Mn_(10)合金在137-180 K温区出现磁熵变平台且具有最优的RC值(536 J/kg)。平台状的(-ΔS_M)-T曲线归结于析出的Gd_3(Co,Mn)和Gd_(12)(Co,Mn)_7相与非晶基体的共同影响。以50 m/s铜辊线速度制备的Gd_(65-x)Co_(35)Zn_(10)(x=0,10,20)快淬合金为非晶结构。随Gd含量的减少,磁熵变峰值(-ΔS_M)~(max)单调递减而居里温度T_C单调递增。Gd_(65)Co_(35)Zn_(10)快淬合金经600 K分别保温30,40和60 min的热处理后,XRD与TEM分析结果表明退火态Gd_(65)Co_(35)Zn_(10)合金条带中析出了Gd_3(Co,Zn)和Gd_(12)(Co,Zn)_7相。0-5 T外加磁场下,退火态Gd_(65)Co_(35)Zn_(10)合金条带呈现温跨从68到198 K的磁熵变平台,以及与之伴随的宽温区大磁热效应(RC_(AREA)达773 J/kg)。此外,退火态Gd_(55)Co_(35)Zn_(10)合金在154-204K温区出现磁熵变平台,其RC_(AREA)达619 J/kg。最后,我们研究了Gd-Fe-Zn与Gd-Fe-B非晶纳米晶体系。B含量更高的Gd_(65)Fe_(30)B_5快淬合金展现出2个分别在在132和156 K处的磁性转变,与Gd_(65)Fe_(35-x)B_x(x=0,1,3)快淬合金在~290 K处的一个磁性转变截然不同。降低辊速能提高Gd_(65)Fe_(30)B_5快淬合金的磁热效应。以30 m/s铜辊线速度制备的Gd_(65)Fe_(30)B_5快淬合金在5 T外加磁场下,磁热性能为(-ΔS_M)~(max)=12.12 J/(kg?K),RC=903 J/kg。尽管没能获得平台状磁熵变曲线,Gd_(65)Fe_(25)Zn_(10)快淬合金与Gd_(65)Fe_(35-x)B_x(x=0,1,3)快淬合金均展现出优于一些室温温区磁制冷材料的RC,因此有潜力作为候选的室温磁制冷材料。
【图文】：
社会工业生产和公共生活中，并扮演着难以替代的角色。然而，自 20 世纪 90 年代以来，随着环境污染和能源短缺问题日益突出，在人类社会的各个技术领域都出现了一种大趋势——用资源节约、环境友好型技术来替代或革新传统技术。联合国气候变化框架公约（UNFCCC）于 2015 年通过的巴黎气候协议（法文：Accord de Paris）约定于 2020 年开始处理温室气体减排，适应和融资，，该协议旨在通过保持本世纪全球温度上升远低于工业化前水平 2 摄氏度来应对全球气候变化威胁，并努力将温度升幅进一步限制在 1.5摄氏度，主要实现途径是在各个技术领域开发低排放技术以取代高排放技术，全球已有195 个成员国的签署了该协议，协议要求见图 1 1。而在每年占据全球大量温室气体排放值的制冷领域，鉴于传统气体压缩制冷技术已经违背了保护环境和节约能源这两大潮流，势必需要寻找环境友好和资源节约的新型制冷技术来克服传统气体压缩制冷的弊端。传统气体压缩制冷技术主要有两大弊端：(1)高能耗、低效率；(2)氯氟烃物质 CFC以及含氢氯氟烃 HCFC 制冷剂，破坏臭氧层，对环境造成严重的危害。
图 1 2 磁制冷技术原理示意图Fig. 1 2 Schematic diagram of magnetic refrigeration technology冷技术的发展历程技术的发展可以追溯到 19 世纪，在 1881 年 Warburg 首先观察磁热效应（MCE）[3]。随后，1926 年 Debye[4]和 1927 年 Giauq磁热效应的本质，并提出在实际应用中可利用绝热退磁过程获温物理获得 μK 级低温的标准手段。作为一项高新绿色制冷技杰出工作，磁制冷材料在低温和极低温领域的研究已较为成熟，但商业应用前景更广阔的室温和近室温磁制冷领域还辄待深在实际应用场合运行的磁制冷样机方面，已经取得了重要进展学家 brown 首次在实验室中用 Gd 为磁制冷材料，在 7 T 外加6]。1996 年，美国宇航公司与位于依阿华大学的美国国家能源
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB64
本文编号：2603422
【图文】：
社会工业生产和公共生活中，并扮演着难以替代的角色。然而，自 20 世纪 90 年代以来，随着环境污染和能源短缺问题日益突出，在人类社会的各个技术领域都出现了一种大趋势——用资源节约、环境友好型技术来替代或革新传统技术。联合国气候变化框架公约（UNFCCC）于 2015 年通过的巴黎气候协议（法文：Accord de Paris）约定于 2020 年开始处理温室气体减排，适应和融资，，该协议旨在通过保持本世纪全球温度上升远低于工业化前水平 2 摄氏度来应对全球气候变化威胁，并努力将温度升幅进一步限制在 1.5摄氏度，主要实现途径是在各个技术领域开发低排放技术以取代高排放技术，全球已有195 个成员国的签署了该协议，协议要求见图 1 1。而在每年占据全球大量温室气体排放值的制冷领域，鉴于传统气体压缩制冷技术已经违背了保护环境和节约能源这两大潮流，势必需要寻找环境友好和资源节约的新型制冷技术来克服传统气体压缩制冷的弊端。传统气体压缩制冷技术主要有两大弊端：(1)高能耗、低效率；(2)氯氟烃物质 CFC以及含氢氯氟烃 HCFC 制冷剂，破坏臭氧层，对环境造成严重的危害。
图 1 2 磁制冷技术原理示意图Fig. 1 2 Schematic diagram of magnetic refrigeration technology冷技术的发展历程技术的发展可以追溯到 19 世纪，在 1881 年 Warburg 首先观察磁热效应（MCE）[3]。随后，1926 年 Debye[4]和 1927 年 Giauq磁热效应的本质，并提出在实际应用中可利用绝热退磁过程获温物理获得 μK 级低温的标准手段。作为一项高新绿色制冷技杰出工作，磁制冷材料在低温和极低温领域的研究已较为成熟，但商业应用前景更广阔的室温和近室温磁制冷领域还辄待深在实际应用场合运行的磁制冷样机方面，已经取得了重要进展学家 brown 首次在实验室中用 Gd 为磁制冷材料，在 7 T 外加6]。1996 年，美国宇航公司与位于依阿华大学的美国国家能源
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB64
【参考文献】
相关期刊论文 前1条
1 ;Magnetic properties and large magnetocaloric effects in amorphous Gd-Al-Fe alloys for magnetic refrigeration[J];Science China(Physics,Mechanics & Astronomy);2011年07期
本文编号：2603422
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