gd0．6tb0．4-xcox合金的磁熱效應(yīng)研究

1、第 1 1 卷 第 2 期 2004年 4 月金屬 功能 材料 M e t a | l i cF u n c t i o n a lM a t e r i a l sVo 1 ． 1 l ，N O2A p r i l ，2 0 0 4Gd o． 6 Tb o．4 一 x C o x 合金 的磁 熱效應(yīng)研 究 王利剛 ， 李 國棟 ， 張偉 ， 姜永靜 ， 李 國云， 呼努斯 圖， 田曉 ， 張常在 ， 焦明春 ( 內(nèi)蒙古 大學(xué) 物理 系

2、 稀土 材料 實驗 室 ， 呼 和浩 特 0 1 0 0 2 1 )摘 要 ： 研 究 了 G d 0 ．6 T h一C o 系 列稀 土合 金在 2 6 l ～2 9 0 K溫 區(qū)范 圍的 磁熵 變 ， 發(fā) 現(xiàn)這 種合 金具 有較 大 的磁熵 變 值 ， 適合 作 為 中低磁 場 ( 1 ～2 T ) 下 的 室溫 磁制 冷 材料 關(guān)鍵 詞 ： 磁制冷 ； 磁制 冷材 料 ； 磁熵變 ； 居里 溫 度 ； 磁 卡效 應(yīng)中圖分 類號 ：

3、 0 4 8 2． 6文獻(xiàn) 標(biāo) 識碼 ：A文章 編號 ：1 0 0 5—8 1 9 2 ( 2 0 0 4 ) 0 2—0 0 0 8～0 2A S t u d yo nM a g n e t o c a l o r i cEf f e c to fAl l o yGd 0 ． 6 Tb o． 4 一 x Co xW A N GL i g a n g ， L IG u o d o n g ， Z H A N GWe i ， JI A

4、N GY o n g j i n g ，L IG o u y u n ， HU He ， TI ANXi a o ， Z HANGCh a n g z a i ， JI AOMi n g c h u n( L a b o r a t o r yo fR a r e — e a r t hMa t e r i a l s ， D e p a r t me n to fP h y s i c s ， N e i Mo n g o lU n

5、 i v e r c i t y ， H u h h o t0 1 0 0 2 1 ， C h i n a )ABS TRAC T：A s e r i e so fa l l o yGd 0． 6 T b 04C o ( X =0 ， 0 ． 0 5 ， 0 ． 1 ， 0 ． 1 5 ) w e r es t u d i e da tt e m p e r a t u r e sb e t w e e n2 6 1 ～2 9 0 K

6、 u n d e rama g n e t i cf i e l du pt O1． 5 T． W ef o u n dt h a twi t hg i a n tma g n e t i ce n t r o p yc h a n g et h ea l l o y sa r es u i t a b l ef o rma k i n gr o o m t e mp e r a t u r ema g n e t i cr e f

7、 r i g e r a t i o nma t e r i a la tl o wma g n e t i cf i e l d ( 1 ～2 T) ．KEYW ORDS：ma g n e t i cr e f r i g e r a t i o n； m a g n e t i cr e f r i g e r a n two r k i n gma t e r i a l s ； ma g n e t i ce n t r o p

8、 yc h a n g e ； c u r i et e m p e r a ．t u r e ； m a g n e t o e a l o r i ce f f e c t1引言 2實 驗 由于室 溫磁制 冷技 術(shù) 的 良好應(yīng) 用前 景 ， 尋找 室 溫 區(qū)的磁 制冷工質(zhì)具有特殊 的意義 。為 了在室 溫區(qū)獲得較大 的磁 卡效 應(yīng) ， 人們 廣泛 研究 了各 種 磁性 材 料 的磁熵 變。很 長 時 間 以來 ， 單 質(zhì) 稀 土金

9、 屬 G d被 認(rèn) 為是 唯一可被用 于室 溫磁制冷應(yīng)用的材料 。近幾 年來 ， 磁制冷材 料 的研究 獲得 了突破性 的進(jìn)展 。美 國 l o w a大 學(xué) A m e n s實 驗 室 報 道 的 G d 5 S i 2 G e 2合 金?在室溫 區(qū)具有 異 常 巨大 的 磁卡 效應(yīng) ， 以及后 來 發(fā)現(xiàn)的 Mn As 卜 S b【】 和 Mn F e P o． 4 5 As o． 5 5L都 大 幅度的超過 了 G d 。為 了

10、探 尋性能穩(wěn) 定 、 居里 點適 宜且 磁卡效 應(yīng) 顯 著的新型室溫磁 制冷材 料 ， 充 分發(fā)揮 我 國稀土 資 源 的優(yōu)勢 ， 本文 以稀土 金屬 G d 、 T b為 基質(zhì) ， 少量 摻 雜 了 C o ， 以代替貴金屬 T b ， 實現(xiàn) 了提 高材料 居里溫 度 并具有較 大磁熵變 的預(yù)期 目的 。將金 屬 釓 ( G d ) 、 鋱 ( T b ) 和鈷 ( C o ) ( 純 度 均 為 9 9 ． 5 ％以上 ) 按 比例

11、稱重配料 ， 在非 自耗 真空電弧爐 中熔 煉成 G d 06 T b 0 ． 4 一C 0( x =0 ， 0 ． 0 5 ， 0 ． 1 ， 0 ． 1 5 )合金 ， 然后 在 真空 燒 結(jié) 爐 中進(jìn) 行 退火 ( 溫 度保 持 在 8 8 0 ℃) 1 0 h ， 使之均勻化 。從樣 品上截取一小 圓球狀 試樣 ， 質(zhì)量 大 約 在 2 5 r ag左 右 ， 在 WK V S M 型振 動 樣品磁強計上測量 試樣 的 M— T

12、曲線 ， 由低 磁場下 的 曲線估計居 里點 ； 在居 里點附近選 取不 同的溫度 ， 測 出外磁場變 化 0 ～ 1 ． 5 T時 每一 溫 度下 的 磁化 曲線 ( M— H) ， 控溫精度 ±0 ． 5 K。3 實驗 結(jié) 果與 分 析 對磁系統(tǒng) ， 熱力學(xué)麥克斯 韋關(guān) 系式 ：(( 囂 ) T( 1 )作 者簡 介 ： 王 利剛 ( 1 9 7 8 一) ， 男 ， 遼 寧省 建平 人 ， 內(nèi)蒙古 大學(xué) 碩 士研究 生

13、。維普資訊 http://www.cqvip.com 1 0金屬 功能 材料 2 0 0 4 矩 L e t t ， 1 9 9 7 ， 7 0 ： 3 2 9 9 ～ 3 3 0 3[ 7 ] 李卓 堂 ． 吳佩 芳 ． 稀 土 材 料 的 磁 熱 效 應(yīng) 及應(yīng) 用 [ J ] ． 化學(xué) 進(jìn) 展 ．1 9 9 5 ， 7 ( 2 ) ： 1 4 0 ～1 5 1 ．[ 8 ] 邵元智 ， 張介 立 ， 周 若珍 等 ． G d二元

14、系 金屬 問化 合 物 的磁 熱效 應(yīng) [ J ] ． 中山大 學(xué)學(xué)報 ( 自然科 學(xué)版 ) ， 1 9 9 4 ， 3 3 ( 1 ) ： 1 0 3 ～1 0 5 ．[ 9 ] 龍 毅 ， 周 壽增 ， 趙 杰 ． 室 溫范 圍 內(nèi)大磁 熱 效應(yīng) 的 G d — T b 材 料 的研 究[ J ] ． 科學(xué)通報 ， 1 9 9 3 ， 3 8 ( 2 1 ) ： 1 9 4 4 ～1 9 4 6[ 1 O ] 劉學(xué)東 ， 張偉 ，

15、李 國棟 ． G d D y F e 和 Gd T b F e 合 金 的磁 熱 效 應(yīng) 研 究[ J ] ． 稀土 ， 2 0 0 2 ， 2 3 ( 5 ) ： 6 O ～6 2 ．[ 1 1 ] 謝鯤 ， 楊森， 孫 占波等， ( D y l —G d) c o 2 的磁熵變研究[ j ] ． 西安 交通 大學(xué) 學(xué)報 ． 2 0 0 3 ， 3 7 ( 6 ) ： 6 3 5 ～6 3 7[ 1 2 ] Wa n gD u n h

16、 u i ， L i uH a i d o n ge ta 1． Ma g n e t i cp r o p e r t i e sa n dm a g n e —t o c a l o r i ce f f e c t si n ( G dD y l) C o 2c o m p o u n d s [ J ] ． P h y s i c sL e t t e r sA ， 2 0 0 2． 2 9 7： 2 4 7～ 2 5 2．[

17、1 3 ] 馮端 等 著 ． 金 屬物 理學(xué) [ M] ． 北 京 ： 科 學(xué) 出版社 ， 1 9 9 8 ， 4 ： 3 5 4 ～3 5 5．收 稿 F I 期 ： 2 0 0 3 —1 2 —2 6納 米 金屬 材料 玉 燕 ， 長 征 納米 晶銅 和 鋁uJ“ 納 米金 屬 ” ( n a n o m e t a 1 ) 是 利用 納米技術(shù) 制造 的金 屬材 料 ， 具 有納 米級 尺寸 的 組 織結(jié)構(gòu) ， 在其 組 織 中也包

18、 含著 納米 顆粒 雜質(zhì) 。在 金屬 材料生 產(chǎn) 中利 用 納米技 術(shù) ， 有 可能 將材 料成 分 和組織控制 得極其 精 密和 細(xì)小 ， 從 而使 金屬 的力 學(xué) 性 能和功能特性得 到飛躍的提高 。鋁 系鈉米金屬是 一 類 最典型的納 米金 屬 ， 采取 納米 技術(shù) 生產(chǎn) 的在 鋁 結(jié) 晶 中分散準(zhǔn) 晶粒的鋁合金 ， 具有優(yōu)異 的高溫強度 、塑性 、 韌性 和抗 磨 性 。韓 國的機 械物質(zhì) 研究 所開 發(fā) 成功納米銅一 氧化鋁

19、( n a n o — C u — A 1 ， O) 復(fù)合 材料 ， 由于 高熔點高 強度 及 其 納 米 氧化 鋁顆 粒 的彌 散強 化 效 果 ， 從而使得這種材 料具有特別優(yōu)異 的性能 ， 尤其適 合 于用作大 型客車 、 火 車 、 火箭等 電觸點等所要求 的材料 。 日本 的 Y KK公 司利用 含有能提 高非 晶形成 能 的稀土類金 屬元素或鎳 等過 渡族金屬元素 的納米 晶鋁合金粉末 ， 制 造成 功 大塊 納米 晶鋁合

20、金 材料制 品“ GI G A S ” ， 其韌 性 和耐 磨性 優(yōu)越 ， 適 用 于機 器人 、體育 用品和機器零件等方 面 。納米 晶銅 【 2 】美 國巴爾 的摩 港 的霍普 金 大 學(xué) 的研究人 員新近研 究 成功 ， 利用金 屬加 工技 術(shù)和 熱 處理 相結(jié) 合的方 法 ， 由工業(yè) 純銅材 制得 了強 度極 高 ( 相 當(dāng)于傳 統(tǒng)銅材 6倍 高 ) 且韌性 也優(yōu) 良的納米結(jié)構(gòu) 銅材 。其制取方 法是首先將工業(yè) 純銅 材放置于液

21、氮 ( 溫度 為 一1 9 6 ℃ ) 中保 持 3 ～5 r ai n ， 取 出后軋制 到大 約 l mm 的厚 度 ， 每道 軋 制 之 間都 要 浸 入 液 氮 中冷 卻 。經(jīng)過這樣 的大壓 下量 軋制 變 形之后 ， 便 會產(chǎn) 生 高密度位錯并且 低 溫又 會使 缺 陷保持其 原 始狀 態(tài) 。隨后把加工變形 的銅材放 人爐 中加熱 到 2 0 0 ℃保溫 3 mi n ， 發(fā)生再 結(jié) 晶并 形 成幾 乎 無 位 錯 的超 細(xì)

22、晶 粒 。這種銅材經(jīng)過冷 軋 后具 有較 高 的位錯 密度 ， 而在熱 處理 時通過再 結(jié)晶 而形成 了極細(xì) ( 粒 徑 只有 二三百 納米 ) 的晶粒組織 ， 這 要 比原 始 晶粒小 幾 百倍 ， 這 就 大大提高 了這 一材 料的強度 。通過控制 熱處 理的溫 度可使 2 0 ％～2 5 ％的晶粒發(fā)生 “ 反 常 晶粒長大 ” ， 這 樣就形成 了納米 晶粒 與粗 晶粒 的混 合組 織 ， 最終 產(chǎn) 品既具 有極 高的強度又具有優(yōu)

23、 良的塑性 。這 一新工 藝還將運 用到其他純金屬材料 的生 產(chǎn)中 。硬度 、 韌 性、 耐 磨性 極 佳 的納 米 晶鋼 合 金 美 國 Ma i t l a n d的納 米鋼 公 司 ( N a n oS t e e lC o ． ) 新 近 在市場 上首次推 出了同時兼?zhèn)溆?高硬度 、 高韌性 、 高 強度與 高抗 腐蝕性 的納 米 晶鋼 ， 并取 名 為超硬 質(zhì)鋼 合金 “ S H S ” ， 這 種性 能獨特 的 S H S鋼

24、合金是 由美 國愛達(dá)華州 的 D O E愛 達(dá)華 國立 工程 與環(huán) 境研究 實驗 室 ( I NE E L ) 的研 究 人員 D a n i e lB r a n a g a n博 士 開 發(fā) 的一種新 工 藝來 生 產(chǎn)。S H S鋼 合 金 首先 將 鋼 合 金 熔液噴涂成涂層形 式形 成金 屬 玻璃 ， 然 后把 這種 金 屬玻璃涂層通 過熱處 理使之轉(zhuǎn)變成為 晶粒尺寸為納 米級 的納米 晶涂層 ， 如此 的 晶化轉(zhuǎn) 變過 程形

25、成 了晶 粒非常細(xì)小 ( 納米級尺 寸) 并且甚至在升 溫至熔 點的 8 0 ％的高溫 下也是很穩(wěn)定 的納米結(jié)構(gòu) 。這樣便獲得 了性 能 比 任 何 傳 統(tǒng) 鋼 材 料 都 優(yōu) 越 得 多 的 鋼 合 金 S HS ， 并且生 產(chǎn)成本 也便 宜得多 ， 用此法 可制 得既耐 磨 又抗 腐蝕 、 耐空化 和 耐氣 蝕 優(yōu)越 的鋼 制 品。現(xiàn) 已利用熱噴涂技術(shù)生產(chǎn) 了熱噴涂 納米 晶鋼 粉“ S H S 7 1 7粉” 和納米 晶中空絲 材

26、“ S H S 7 1 7絲 ” ， 所 形成 的涂層 產(chǎn)品 由于涂層孔 隙率低 等原因而具有很 高的結(jié) 合強 度 。參 考 文獻(xiàn) ：[ 1 ] 工業(yè)材 料 ， 2 0 0 3 ， 5 1 ( 1 1 ) ： 8 8 ．[ 2 ] A d v a n c e dMa t e r i a l s＆ P r o c e s s e s ， 2 0 0 3 ， 1 6 ( 1 ) ： 1 3[ 3 ] A d v a n c e dMa t