磁相变合金的磁致伸缩和磁热效应

发布时间：2017-07-17 10:23

  本文关键词：磁相变合金的磁致伸缩和磁热效应

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【摘要】：在磁性合金中,磁场诱导的相变通常伴随较大的磁致应变效应或磁热效应。这种功能材料在制动器、感应器、磁力转换器件以及磁制冷机等领域具有潜在的应用价值。研究表明,一些一级相变材料具有较大的磁致应变效应或磁热效应,如La-Fe-Si合金、Gd-Si-Ge合金、Ni-Mn基铁磁形状记忆合金以及MM'X (M为Mn、M’为Co或Ni、X为Si或Ge)合金。但它们的效应通常伴随不可逆性、较大的热／磁滞、较差的力学性能和应用温度低等不足。这些不足影响了它们的实用价值。因此,如何克服这些不足以及增加材料的实用性一直是研究的热点。在本文中,我们研究了一些Mn基合金的磁致伸缩效应以及磁热效应,并通过调节比分、改变烧结方式以及电控的方式提升了合金的性能。1. Gd1-xSmxMn2Ge2 (x= 0.37,0.34)合金室温较大的磁致伸缩效应磁弹性相变和磁结构相变通常伴随较大的晶格畸变。当磁场诱导上述相变发生时,合金可以展现较大的磁致应变效应。与磁结构相变相比,磁弹性相变所伴随的磁致伸缩效应通常具有较好的可恢复性,有利于重复应用。然而已有的报道表明现有的磁弹性相变材料通常伴随着驱动场大和工作温度远离室温等缺陷。因此开发具有室温磁弹性相变以及低场驱动效应的新材料是有意义的。我们通过调节Gd与Sm的比例,将Gd1-xSmxMn2Ge2合金的Mn-Mn间距调节至临界尺寸,并在Gd0.66Sm0.34Mn2Ge2和Gd0.63Sm0.37Mn2Ge2合金中获得了温度以及磁场诱导的室温反铁磁-铁磁相变。测量结果表明该相变伴随明显的晶格畸变,是一种磁弹性相变。Gd1-xSmXMn2Ge2合金磁致反铁磁-铁磁相变伴随较大的磁致伸缩效应且该效应具有磁滞小、可恢复、驱动场低以及稳定性高的优点。2.致密、取向MnCoSi合金的巨磁致伸缩效应材料的物性通常都是各向异性的,因此适当的择优取向有利于提升材料的性能。然而如何将易碎的合金材料取向仍然具有挑战性。MnCoSi合金是一种廉价的过渡族-主族元素合金。当磁场作用时,其出现一种磁场诱导的变磁性转变,且伴随较大的晶格畸变。这意味着MnCoSi合金是一种具有潜力的磁致伸缩材料。但其多晶效应小且力学性能差的缺点严重制约了其实用性。我们通过强磁场下缓慢凝固的方式制备了取向且致密的MnCoSi1-x (x=0; 0.01; 0.02)合金。这种特殊的方法有利于凝固过程中晶粒的取向以及相变应力的释放,以便于获得取向且致密的块体样品。此外,我们首次尝试通过主族元素缺位的方式调节MnCoSi合金的三相点。当主族元素空位增加时,变磁性驱动场降低且三相点温度靠近室温。这保证了体系在降低相变驱动场的基础上,获得室温且可逆的巨磁致伸缩效应。MnCoSi1-x合金的饱和磁致伸缩值可以和某些RFe2合金相媲美。更重要的是,该合金由非稀土元素构成,有利于降低成本,在声呐传感器、感应器、制动器等领域具有潜在的应用价值。3.电控磁热效应磁电耦合效应由于其丰富的物理机制和潜在的应用价值而得到了广泛关注。磁制冷技术具有绿色环保节能高效的特点,被认为是取代气体压缩式制冷的技术之一。研究表明,具有Heusler结构的Ni-Mn-Z (Z= In, Sn, Sb)合金具有较大磁热效应。该效应来源于磁场诱导的磁结构相变。但由于一级相变特性,该效应伴随较大的热／磁滞以及较窄的工作温区。这两点不足制约了其应用。在本研究中,我们开展了Ni-Co-Mn-In合金磁热效电场调控的工作。在复相Ni-Co-Mn-In/PMN-PT中,随着外加电压升高,热／磁滞都相应减小,且工作温度得到了拓宽。这意味着,通过该方法,我们解决了Ni-Co-Mn-In合金磁热效应的两点不足,这有利于提升主动式磁制冷机的效率。最后,基于此方法,我们还提出了一种高效主动式磁制冷机样机模型。
【关键词】：相变合金 磁驱相变 磁致伸缩效应 磁热效应
【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：O482.5
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-12
• 第一章 绪论12-46
• 1.1 材料中的相变12-20
• 1.1.1 相变的分类12-13
• 1.1.2 相变驱动力13-16
• 1.1.3 提高磁驱相变能力(降低相变临界场)的有效途径16-20
• 1.2 磁驱相变伴随的物理效应20-28
• 1.2.1 磁热效应20-22
• 1.2.2 磁致伸缩或磁致应变效应22-26
• 1.2.3 铁磁形状记忆效应26-28
• 1.3 磁驱相变合金的研究近况28-38
• 1.3.1 La-Fe-Si合金28-30
• 1.3.2 Gd-Si-Ge合金30-32
• 1.3.3 Ni-Mn基铁磁形状记忆合金32-35
• 1.3.4 MM'X合金35-38
• 1.4 本课题研究内容和意义38-39
• 参考文献39-46
• 第二章 样品制备与表征46-55
• 2.1 样品制备46-48
• 2.1.1 真空熔炼46
• 2.1.2 熔体快淬46-47
• 2.1.3 定向凝固47-48
• 2.1.4 强磁场凝固48
• 2.2 结构和性能表征48-51
• 2.2.1 结构表征48-49
• 2.2.2 磁性表征49-50
• 2.2.3 磁致伸缩性能表征50
• 2.2.4 力学性能表征50-51
• 2.2.5 磁畴观察51
• 2.3 理论计算方法51-54
• 参考文献54-55
• 第三章 Gd_(1-x)Sm_xMn_2Ge_2(x=0.34,0.37)合金的磁致伸缩效应55-71
• 3.1 引言55-56
• 3.2 研究思路与合金设计56-62
• 3.3 样品制备62
• 3.4 结果与分析62-68
• 3.4.1 Gd_(1-x)Sm_xMn_2Ge_2(x=0.34,0.37)合金中温度诱导的磁弹性相变63-65
• 3.4.2 Gd_(1-x)Sm_xMn_2Ge_2(x=0.34,0.37)合金中磁场诱导的磁弹性相变65-66
• 3.4.3 Gd_(1-x)Sm_xMn_2Ge_2(x=0.34,0.37)合金的磁致伸缩效应66-68
• 3.5 总结与展望68
• 参考文献68-71
• 第四章 取向且致密的MnCoSi_(1-x)合金的巨磁致伸缩效应71-91
• 4.1 前言71-72
• 4.2 研究思路与合金设计72-79
• 4.3 样品制备和表征79
• 4.4 结果与讨论79-87
• 4.4.1 结构与取向79-80
• 4.4.2 形貌和力学性能80-82
• 4.4.3 MnCoSi_(1-x)(x=00.01；0.02)合金的磁性82-85
• 4.4.4 MnCoSi_(1-x)(x=0;0.01；0.02)合金的磁致伸缩效应85-87
• 4.5 总结与展望87
• 参考文献87-91
• 第五章 电控磁热效应91-108
• 5.1 前言91-92
• 5.2 实验设计与材料选择92-95
• 5.3 样品制备95-96
• 5.4 结果及讨论96-103
• 5.4.1 不同电压下的磁性96-98
• 5.4.2 不同电压下体系的磁热效应98-100
• 5.4.3 电调控磁卡效应的意义100-103
• 5.5 总结与展望103-104
• 参考文献104-108
• 攻读博士期间论文发表情况108-109
• 致谢109-110

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前5条

1 潘自强;;核能发展与事故应急[J];辐射防护;2007年01期

2 江丽萍;吴双霞;沙玉辉;李松;赵骧;左良;;退火磁场施加方式对Tb_(0.3)Dy_(0.7)Fe_(1.95)合金磁伸性能的影响[J];材料热处理学报;2007年03期

3 徐祖耀;马氏体相变[J];热处理;1999年02期

4 徐祖耀;马氏体相变研究的进展(一)[J];上海金属;2003年03期

5 徐祖耀;马氏体相变研究的进展(二)[J];上海金属;2003年04期

中国博士学位论文全文数据库 前1条

1 马胜灿;合金磁相变的调控及其磁热性质[D];南京大学;2011年

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本文编号：553138