Mn系磁熵變材料的制備及性能研究.pdf

1、相對(duì)于傳統(tǒng)的氣體制冷方式，磁制冷在節(jié)能、制冷效率、環(huán)境友好等許多方面有著顯著的優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)受到越來(lái)越多的國(guó)家和研究人員的重視。磁制冷是以磁性材料的磁卡效應(yīng)為基礎(chǔ)的一種制冷方式。磁制冷領(lǐng)域中一個(gè)重要的研究方向就是尋找具有巨大磁熵變的磁制冷材料。目前研究磁制冷材料主要集中在三個(gè)方面：(一)低溫區(qū)域的磁熵變材料，其中最具代表性的有Gd3Ga5O12(GGG)、硝酸鈰鎂和RAI2型復(fù)合材料等等；(二)中等溫區(qū)的磁熵變材料，代表性的材料是單質(zhì)稀土金

2、屬Dy；(三)室溫附近的磁制冷材料，代表性的材料有金屬Gd。 20世紀(jì)70年代開(kāi)始，特別是近些年來(lái)，磁制冷材料成為了國(guó)際上的研究熱點(diǎn)，并且取得了許多突破。例如，1996年，Zimm等人在美國(guó)宇航公司(NASA)和阿拉默斯實(shí)驗(yàn)室(Los Alamos)資助下，采用3 kg金屬Gd作為磁制冷工質(zhì)，成功研制出一臺(tái)室溫磁制冷機(jī)。磁場(chǎng)變化范圍為0-5 T時(shí)，得到60.W的制冷功率，性能系數(shù)達(dá)到15，相當(dāng)于60％的卡諾效率，該實(shí)驗(yàn)證明了磁制

3、冷技術(shù)具有良好的應(yīng)用前景。 本文采用高真空電弧熔煉的方法制備了磁熵變較大的Ni-Mn基合金，而且還采用了吸鑄法制備合金和磁控濺射法制備薄膜。主要研究了Ni-Mn-Sn母合金、Fe元素替代Ni元素形成的合金的結(jié)構(gòu)、吸鑄合金和薄膜的磁性質(zhì)和磁熵變性質(zhì)，得到了性能很好的磁熵變材料。Ni-Mn基合金根據(jù)材料成分配比的不同，分布在中等溫區(qū)到室溫的溫度范圍內(nèi)。論文的主要內(nèi)容如下： 首先是緒論部分，主要介紹磁熱效應(yīng)的定義與原理，磁制冷

4、材料的歷史與現(xiàn)狀，本課題研究背景以及研究的意義和課題的內(nèi)容。 第一章，介紹磁性材料的基本理論知識(shí)。主要包括磁性材料的磁滯現(xiàn)象；磁性材料的幾項(xiàng)基本參量；磁熱效應(yīng)的熱力學(xué)基礎(chǔ)和磁熱效應(yīng)的測(cè)量方法。 第二章，簡(jiǎn)單介紹磁制冷材料樣品制備的實(shí)驗(yàn)方法和測(cè)量手段及其原理，包括合金結(jié)構(gòu)的分析測(cè)量，磁熱曲線的測(cè)量，等溫磁化曲線的測(cè)量等等。 第三和第四章，主要是討論了Ni45.4+xMn41.5-xSn13.1(x=0，1.5，3.

5、0)、(Ni44-xFex)Mn46Sn10(x=0，1，2)兩種合金系的結(jié)構(gòu)、磁性質(zhì)、磁熱效應(yīng)、磁熵變和相變類(lèi)型等。利用高真空電弧熔煉設(shè)備制備的合金樣品，樣品在真空下被封裝至石英管中，然后進(jìn)行真空退火處理，隨后在設(shè)定的的冷卻條件下冷卻。采用X-射線衍射儀(XRD)對(duì)樣品的結(jié)構(gòu)進(jìn)行測(cè)量，得出合金主相為Heusler型的L2t結(jié)構(gòu)。利用振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)(VSM)測(cè)試了樣品的磁熱曲線、等溫磁化曲線和磁滯回線等磁學(xué)性質(zhì)。 第五章，研究了

6、吸鑄法制備的合金和磁控濺射法制備的薄膜的性能。對(duì)吸鑄態(tài)樣品，在1173 K溫度下，進(jìn)行不同時(shí)間的退火，得到了不同磁性質(zhì)的樣品。隨著退火時(shí)間的增加的各樣品，在隨著溫度的降低時(shí)，都有發(fā)生結(jié)構(gòu)相變，相變前后磁矩降低的差值越來(lái)越大。我們還利用直流磁控濺射法，在不同的濺射功率條件下，和使用不同成分的靶材，在Si基片上制備了薄膜，得到了磁性質(zhì)發(fā)生明顯變化的薄膜樣品。但是研究發(fā)現(xiàn)，薄膜樣品都沒(méi)有發(fā)生結(jié)構(gòu)相變。這兩類(lèi)樣品相對(duì)于正常熔煉的樣品磁熵變性能都