室溫磁致冷材料MnFePGe的SPS制備技術(shù)與中子衍射研究.pdf

1、磁致冷技術(shù)是一種高新致冷技術(shù)與方法，近年來一直受到國內(nèi)外的關(guān)注。磁致冷與傳統(tǒng)壓縮致冷相比具有效率高、污染少、結(jié)構(gòu)緊湊、體積小等特點(diǎn)。如能實(shí)現(xiàn)室溫磁致冷，將會(huì)產(chǎn)生巨大的社會(huì)效益與經(jīng)濟(jì)效益。目前已有許多科研工作者對室溫磁致冷材料進(jìn)行深入的研究，已發(fā)現(xiàn)稀土及其合金、稀土—過渡金屬化合物、過渡金屬及其化合物、鈣鈦礦氧化合物等材料可以應(yīng)用于室溫致冷工程中。 對于磁性致冷材料Mn1.1Fe0.9P1-xGex，其等溫磁性轉(zhuǎn)變?yōu)橐淮蜗嘧?，吸?/p>

2、熱量大，且其居里溫度隨著Mn、Fe及P、Ge比例的變化而變化，能夠?qū)崿F(xiàn)對其溫度的控制，從而應(yīng)用于室溫致冷。同時(shí)Mn1.1Fe0.9P1-xGex具有原料成本低、無毒無害等諸多優(yōu)點(diǎn)，具有良好的應(yīng)用前景。然而這種材料目前多通過長達(dá)上百小時(shí)的球磨、擴(kuò)散燒結(jié)和退火處理的方法制備，從而嚴(yán)重的影響了材料的實(shí)用化發(fā)展。而且迄今為止，國內(nèi)外對MnFePGe系磁致冷材料的研究主要集中在材料制備和性能分析方面，而對材料磁相變過程中晶體結(jié)構(gòu)的變化與性能的關(guān)聯(lián)

3、尚缺乏系統(tǒng)深入的研究和報(bào)道，而這是目前制約MnFePGe系磁致冷材料性能提高的關(guān)鍵所在。據(jù)此，本論文研究了采用短時(shí)、高效的放電等離子燒結(jié)技術(shù)(SPS)合成Mn1.1Fe0.9P1-xGex化合物的新方法，并利用中子衍射等手段對其性能與結(jié)構(gòu)的關(guān)系進(jìn)行了研究。 首先，采用機(jī)械合金化和放電等離子燒結(jié)的方法，合成了成分為Mn1.1Fe0.9P0.8Ge0.2的合金。系統(tǒng)研究了球磨和SPS燒結(jié)工藝對合金的相組成及晶體結(jié)構(gòu)的影響，通過優(yōu)化工

4、藝獲得了具有良好單相性的Mn1.1Fe0，9P0.8Ge0.2合金。在此基礎(chǔ)上，采用相同的技術(shù)路線合成了成分為Mn1.1Fe0.9P0.76Ge0.24的合金樣品，制備出的樣品具有良好的單相性，但還是含有一定量的MnO等雜質(zhì)，對制備工藝進(jìn)一步優(yōu)化以減少雜質(zhì)的存在對材料性能的影響。Mn1.1Fe0.9P0.8Ge0.2和Mn1.1Fe0.9P0.76Ge0.24的居里溫度分別為251K和279K，說明材料的居晨溫度隨著Ge含量的增加而升高

5、。通過測量不同條件下Mn1.1Fe0.9P0.76Ge0.24樣品的磁化曲線，得到了其最大磁熵變?yōu)?50J/kg-K左右，這一性能高于目前國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道。 采用中子衍射對Mn1.1Fe0.9P0.76Ge0.24結(jié)構(gòu)和磁性方面進(jìn)行了深入的研究。研究表明，外界溫度和外加磁場變化都會(huì)誘發(fā)材料順磁相與鐵磁相之間的轉(zhuǎn)變。隨著溫度的降低，材料中的順磁相逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)殍F磁相，當(dāng)溫度下降到一定程度的時(shí)候，材料的相轉(zhuǎn)變變的非常緩慢；同樣，隨著外

6、加磁場的增加，材料中的順磁相逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)殍F磁相，當(dāng)磁場增加到一定程度時(shí)，材料的相轉(zhuǎn)變也會(huì)變得非常困難。進(jìn)一步研究表明無論是在外界溫度變化條件下還是在外加磁場條件下，順磁相的晶粒粒徑越小，材料的相變就越困難，這說明材料的相轉(zhuǎn)變和晶粒的大小有一定的關(guān)系。最后根據(jù)中子衍射研究發(fā)現(xiàn)，隨著材料熱滯后的降低，MnFePGe磁化所需的外加磁場強(qiáng)度將減小，若能將材料的熱滯后降低到0，則材料磁化80％時(shí)所需的外加磁場強(qiáng)度只有1.5特斯拉，在這種情況下，普通