Mn-Fe-P-Si系合金的结构、相变和磁热效应研究

发布时间：2017-09-18 21:30

  本文关键词：Mn-Fe-P-Si系合金的结构、相变和磁热效应研究

  更多相关文章： 磁制冷 磁热效应 Mn-Fe-P-Si合金 热滞 退火

【摘要】：室温磁制冷是一种高效、节能、环保的绿色制冷技术。磁制冷材料的研究和开发是实现室温磁制冷的关键技术之一,正成为各国科研的重要攻关项目,只有选择和开发合适的磁制冷材料,才能加快推进磁制冷技术的商业化进程。Mn-Fe-P-Si系列磁制冷材料由于原材料成本低、制备工艺简单、磁热性能优异,是目前研究最为热门的室温磁制冷材料。但是,Mn-Fe-P-Si系列合金存在对成分变化敏感、热滞大等问题,研究进程受到一定的阻碍。本论文首先采用球磨烧结工艺制备了Mn Fe P0.55Si0.45-xGex(x=0,0.01,0.03,0.05)合金,研究了Ge掺杂对合金的相结构及原子的占位、磁性能和磁热效应的影响,并通过对合金显微组织及成分的分析探讨了影响磁热效应的微观机制。结果表明:合金均形成了Fe2P型主相和Fe5Si3杂相;合金的居里温度随Ge含量的增加而增加,由x=0时的276 K增加到x=0.05时的318 K;热滞随Ge含量的增加有较大幅度的降低;Mn Fe P0.55Si0.45-xGex合金在0-2 T外磁场下的最大磁熵变仅为5.36 J·kg-1K-1,但温跨高达30 K,远大于常见的一级相变材料。点阵参数的分析表明P原子并不是随机分布在晶胞的1b和2c位置,而是优先占据1b位置,Si、Ge原子则优先占据2c位置。本文还采用熔炼及铜模铸造工艺制备了Mn1.15Fe0.85P0.55-xSi0.45Bx(x=0.03,0.05)合金,研究了退火温度对合金的结构、磁热性能、显微组织、耐腐蚀性及相变类型的影响。研究表明,铸态及退火态的合金均形成了六角Mn1.9P型主相和少量六角Mn3Fe2Si3杂相。在较低温度退火时,合金中存在少量的非晶和纳米晶;随着退火温度的升高,晶化相的含量有所增加,而杂相的相对含量变化不大。Mn1.15Fe0.85P0.52Si0.45B0.03合金经1123 K、1223 K、1323 K和1423 K退火处理后,居里温度分别为205 K、210 K、227 K和251 K,热滞有所降低,0-2 T外磁场下的最大等温磁熵变分别为0.6、5.0、19.1和19.8 J·kg-1K-1,合金的耐腐蚀性远远高于Gd,且随退火温度升高而增加。Mn1.15Fe0.85P0.50Si0.45B0.05合金进行1323 K、1373 K和1423 K退火处理后,居里温度和磁熵变也随退火温度的升高而增大,但热滞变化不大。退火温度每升高50 K,合金的居里温度约升高5 K;1423 K退火的合金居里温度为244 K,热滞为11.5 K,磁熵变为17.0 J·kg-1K-1。最后采用熔炼及铸造工艺研究了退火时间对非化学计量比的Mn1.1Fe0.8P0.5Si0.5合金的结构和磁热性能的影响,并对合金的相变行为进行了详细的探讨。不同时间退火处理的合金均形成了六角Mn1.9P型主相和极少量六角Mn3Fe2Si3杂相。经1423 K退火48 h、64 h、80 h和96 h后合金的居里温度分别为278 K、282 K、293 K和291 K;热滞随退火时间的延长变化不大,分别为16 K、16 K、18 K和19 K;0-2 T外磁场变化下的最大磁熵变值分别为23.4、25.1、31.9和32.1 J·kg-1K-1。Arrott曲线理论及“普适曲线”方法均表明Mn1.1Fe0.8P0.5Si0.5合金发生二级相变,但是热磁曲线及磁熵变分析表明合金发生的是明显的一级相变。综合分析指出,采用Arrott曲线分析相变类型的存在一定的局限性,对于不发生场致变磁转变的合金,其相变类型需要通过热磁曲线、等温磁化曲线及磁熵变进行综合判断。大的磁热效应、简单的制备工艺和理想的居里温度使得Mn-Fe-P-Si系列合金有望成为室温温区最具竞争力的磁制冷材料。
【关键词】：磁制冷 磁热效应 Mn-Fe-P-Si合金 热滞 退火
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TB64
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-11
• 第一章 绪论11-26
• 1.1 引言11-12
• 1.2 磁制冷技术及原理12-14
• 1.2.1 磁制冷技术的基本原理12-13
• 1.2.2 磁热效应的热力学原理13-14
• 1.3 磁制冷材料的性能表征14-17
• 1.3.1 磁制冷材料的评价指标及选用原则14-15
• 1.3.2 磁热效应的测量方法15-17
• 1.4 室温磁制冷的研究现状17-24
• 1.4.1 磁制冷机的发展进程17-18
• 1.4.2 室温磁制冷材料的研究现状18-20
• 1.4.3 MnFeP系列合金的研究进展20-24
• 1.5 本文的研究目的及主要研究内容24-26
• 第二章 样品的制备及性能表征26-32
• 2.1 样品的制备26-28
• 2.1.1 块状MnFePSiGe合金的制备26-27
• 2.1.2 MnFePSi合金的制备27-28
• 2.2 性能表征28-32
• 2.2.1 物相结构分析28-29
• 2.2.2 微观结构及成分分析29-30
• 2.2.3 磁性能测试30-31
• 2.2.4 耐腐蚀性测试31-32
• 第三章 MnFeP_0.55Si_0.45-xGe_x合金的结构、磁性及磁热效应32-41
• 3.1 引言32-33
• 3.2 MnFeP_0.55Si_0.45-xGe_x合金的晶体结构33-34
• 3.3 MnFeP_0.55Si_0.45-xGe_x合金的磁性能及磁热效应34-37
• 3.4 MnFeP_0.55Si_0.45-xGe_x合金的显微组织分析37-39
• 3.5 本章小结39-41
• 第四章 铜模铸造Mn_1.15Fe_0.85P_0.55-xSi_0.45B_x合金的结构和磁热效应41-56
• 4.1 引言41-42
• 4.2 退火工艺对Mn_1.15Fe_0.85P_0.55-xSi_0.45B_x合金结构和性能的影响42-47
• 4.2.1 退火温度对Mn_1.15Fe_0.85P_0.55-xSi_0.45B_x合金结构的影响42-43
• 4.2.2 退火温度对Mn_1.15Fe_0.85P_0.55-xSi_0.45B_x合金磁性能的影响43-46
• 4.2.3 Mn_1.15Fe_0.85P_0.55-xSi_0.45B_x合金的耐腐蚀性研究46-47
• 4.3 退火工艺对Mn_1.15Fe_0.85P_0.50Si_0.45B_0.05合金结构和性能的影响47-54
• 4.3.1 Mn_1.15Fe_0.85P_0.50Si_0.45B_0.05合金的结构分析48
• 4.3.2 Mn_1.15Fe_0.85P_0.50Si_0.45B_0.05合金的磁性能分析48-51
• 4.3.3 Mn_1.15Fe_0.85P_0.50Si_0.45B_0.05合金的显微组织和成分分析51-53
• 4.3.4 Mn_1.15Fe_0.85P_0.50Si_0.45B_0.05合金的相变研究53-54
• 4.4 本章小结54-56
• 第五章 (Mn, Fe)_1.9P_0.5Si_0.5合金的结构、磁热效应及相变行为研究56-66
• 5.1 引言56
• 5.2 Mn_1.1Fe_0.8P_0.5Si_0.5合金的结构分析56-57
• 5.3 Mn_1.1Fe_0.8P_0.5Si_0.5合金的磁性和磁热效应分析57-61
• 5.4 Mn_1.1Fe_0.8P_0.5Si_0.5合金的相变行为研究61-64
• 5.5 本章小结64-66
• 结论66-69
• 参考文献69-77
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果77-79
• 致谢79-80
• 附件80

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 钟喜春,曾德长,刘正义,魏兴钊;室温磁致冷工质的选用原则及制备技术[J];材料科学与工程;2002年03期

2 唐鹏飞;钟喜春;郑志刚;余红雅;邱万奇;曾德长;刘仲武;;Nb掺杂Gd合金的大磁热效应和显微硬度增强[J];稀有金属材料与工程;2012年06期

3 曾德长;郑志刚;钟喜春;余红雅;黄伟东;;室温磁致冷技术应用研究进展[J];日用电器;2008年01期

4 陈远富,滕保华,陈云贵,涂铭旌,唐定骧;磁制冷发展现状及趋势:Ⅰ磁致冷材料[J];低温工程;2001年01期

5 卢定伟,俞力,金新;使用永磁体的室温磁制冷样机研究[J];低温工程;2003年04期

6 耿遥祥;特古斯;张贵锋;董闯;;Mn_(1.3)Fe_(0.7)P_(0.45)Si_(0.55)化合物的热滞与磁热效应[J];稀有金属材料与工程;2012年S2期

7 闵继雄;钟喜春;郑志刚;刘仲武;曾德长;余红雅;邱万奇;;Gd_(99.75)Fe_(0.25)合金的大磁热效应及应用特性研究[J];稀有金属材料与工程;2013年02期

8 邓晓军;刘丹敏;岳明;黄清镇;赵金良;张久兴;;SPS制备Mn_(1.1)Fe_(0.9)P_(0.8)Ge_(0.2)B_x化合物磁热性能的研究[J];稀有金属材料与工程;2013年07期

9 张雷;刘丹敏;邓晓军;岳明;张久兴;;放电等离子体烧结(SPS)制备Mn_(1.2)Fe_(0.8)P_(0.75)Ge_(0.25)化合物及其磁热效应研究[J];功能材料;2011年11期

10 鲍雨梅,张康达;磁制冷技术和纳米磁制冷工质的研究进展[J];杭州师范学院学报(自然科学版);2003年01期

中国硕士学位论文全文数据库 前3条

1 耿遥祥;新型室温磁制冷材料MnFe（P，，Si）的研究[D];内蒙古师范大学;2011年

2 张雷;MnFePGe系室温磁制冷材料的制备及其磁热效应研究[D];北京工业大学;2011年

3 邓晓军;Mn_(2-x)Fe_xP_(1-y)Ge_y化合物室温磁制冷材料制备工艺与磁热性能的研究[D];北京工业大学;2012年

本文编号：877612