GdAlCo合金纤维的熔体抽拉制备及磁热性能研究

发布时间：2018-03-02 15:34

本文选题：熔体抽拉　切入点：Gd基合金纤维　出处：《哈尔滨工业大学》2017年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：基于磁热效应的磁制冷技术具有高效节能、绿色环保、可靠性高等特点,是传统的气体压缩膨胀制冷的潜在替代方式。Gd基非晶合金结合了非晶合金的优点和Gd元素大原子磁矩的特征,在居里温度附近呈现优异的磁热性能,是磁制冷机的理想制冷工质。相对于块体非晶,微米级Gd基合金纤维具有极大的表面体积比,因此在制冷系统热循环中具有极高的热交换效率,近一维结构特征使其具有优异的机械适应性,可以压制形状复杂的制冷工质以适应磁制冷系统。本文采用熔体抽拉技术制备微米级GdAlCo快凝非晶纤维,优化制备工艺,研究成分配比对纤维磁热效应的影响,分析纤维间相互作用提高磁热性能机制以及纤维磁热各向异性对磁热性能的影响,并采用多个相变过程叠加的方式进一步拓宽纤维制冷温区。上述研究无疑对推进GdAlCo纤维在磁制冷领域的应用具有十分重要的意义。纤维表面质量与熔融合金进给速度有着重要关系:当熔融合金进给量较小时,由于粘附层合金液较少,表面张力较大,对扰动影响敏感导致其表面形成明显的瑞利波缺陷,但纤维截面圆度较好;当熔融合金进给量大时,过多的粘附层造成合金液表面张力低,来不及圆化便凝固致使纤维存在沟槽缺陷,因此GdAlCo非晶纤维熔体抽拉制备优化工艺参数为:加热功率约为4kW;辊轮转速为1700r/min,线速度约为30m/s;熔融合金进给速度为20μm/s。纤维微观结构分析表明其基体为非晶态,但仍存在着非均匀分布的纳米晶,这些纳米晶的产生是由于制备过程中非均匀分布的内应力所导致的。此外,熔体抽拉GdCoAl纤维由于其本身的非晶态结构使其具有优异的机械性能,具有优异的拉伸断裂强度和使用可靠性,可满足磁制冷系统对制冷工质力学性能的要求。熔体抽拉GdAlCo纤维具有优异的磁热性能,纤维热磁曲线分析和磁熵变归一化计算表明其在居里温度附近随温度升高呈典型的铁磁顺磁二级磁相变特征;纤维工作温区为液氮温区附近,各方面磁热性能均优于同成分块体非晶合金,5T变化外场下最大磁熵变值(-ΔSMmax)均为10J/kg·K左右,其宽的铁磁顺磁转变区间使得纤维具有极高的制冷效率;GdAlCo合金原子百分比发生微量变化时,纤维磁热性能变化不大,符合非晶合金性能对元素含量变化不敏感的特性,但居里温度TC存在着明显的差异;纤维在居里温度处的临界指数和磁状态计算数值均偏离平均场理论,这种偏离行为是纤维非晶基体上存在着非均匀分布的纳米晶所导致的。与同成分块体非晶合金和单根纤维相比,Gd_(53)Al_(24)Co_(20)Zr_3非晶集束纤维3T外场下最大磁熵变可达6.94J/kg·K,具有更优异的磁热性能;三种状态合金临界指数和磁状态计算结果相近,均接近于平均场理论,表明三者的结构状态接近完全非晶态。集束纤维磁热性能更优异的原因是相同温度和外场下具有更高的磁化强度,这是由于纤维之间退磁化作用引起的。显而易见,纤维近一维几何形状特性导致其存在磁热各向异性,单根纤维与集束纤维的磁热各向异性行研究表明;纤维易磁化方向饱和场低,达到饱和后两个方向的磁化强度基本相同,但集束纤维在在两个方向上的饱和场由于退磁化作用要比单根纤维高。纳米晶/非晶双相复合结构可以有效提高纤维的制冷效率,其原因是双相相变过程叠加及纳米晶相与非晶基体交互作用共同作用结果;通过热处理的方式可以使纤维的内应力得到释放并在其非晶基体上产生纳米晶,从而改善纤维的磁热性能。将不同居里温度、相近磁热性能的纤维按一定的比例混合在一起,形成多相变叠加纤维复合材料可进一步提高制冷工质的工作温区及制冷效率。理论计算和实际测试发现,只有不同纤维居里温度间隔大于10K时复合材料的工作区间及制冷效率才明显扩大,并且随着居里温度间隔的增加而增加。相对于双成分复合,三成分复合方式可以获得更宽的类平台状磁热性能制冷工作,这种具有平台状磁热性能材料更符合磁制冷中制冷工质随温度变化下磁热性能稳定的要求。
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【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TQ343.2

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