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Gd-TM-Al(TM=Ni,Fe)非晶纳米晶合金磁制冷性能的研究

张琳琳  
【摘要】:磁制冷技术具有环境友好、高效节能等优异的性能而引起人们的广泛关注,在不久的将来会替代传统的气体压缩制冷技术。在磁制冷材料中,稀土基磁致冷晶体材料具有明显的磁热效应,并且磁熵变较大。由于晶体材料发生一级相变,具有大的磁熵变值,但其磁熵变峰值半高宽温区较窄,而发生二级相变的非晶材料有宽的峰值半高宽温区和高的制冷能力值,但其磁熵变数值较小。基于此,本课题设计了Gd-TM-Al(TM=Ni,Fe)非晶/纳米晶材料,利用非晶部分获得大的峰值半高宽温区,晶体部分获得大的磁熵变值,期望获得大的磁熵变和大的制冷能力。对Gd-TM-Al(TM=Ni,Fe)材料的磁热效应进行了系统的研究。对Gdx(Ni0.58Al0.42)100-x(x=70,80,90)合金的磁热效研究结果表明,随着Gd含量的增加,晶体不断地析出,其晶体、非晶部分的居里温度都略微增加,非晶基底的磁熵变不断地降低而晶体部分的磁熵变不断地增加。在x=80和90非晶纳米晶合金中,获得了具有双制冷温区的磁熵变,并且在低温制冷区间,有磁熵变平台出现,相对应的磁熵变平台温度区间大约为90 K~120 K,磁熵变数值分别为4.7和3.6 J kg-1 K-1。为了获得居里温度和磁熵变较高的稀土磁制冷材料,我们研究了Gd-TM-Al(TM=Fe)中Gdx(Fe56.6Al43.4)100-x(x=65-90)合金,研究结果表明当Gd含量为65 at%、70 at%和73.5 at%时,从XRD图谱中可以看出为完全非晶结构,而当Gd含量增加到80 at%和90 at%时,看到出现了明显的晶化峰。磁热效应实验表明,5T磁场下,Gdx(Fe56.6Al43.4)100-x(x=65-90)获得宽的峰值半高宽温区δTFWHM为140-240 K,最大的磁熵变ΔSM为5-7.2 J kg-1K-1和高的制冷能力RC为690-867J kg-1。为了探究热处理对Gd-TM-Al(TM=Ni,Fe)体系磁热效应的影响,以Gd90Ni5.8Al4.2非晶纳米晶合金及Gd70Fe17Al13非晶合金为例研究了退火处理对其磁性能的影响。结果表明Gd70Fe17Al13非晶合金在玻璃转变温度以下退火,合金仅发生了结构弛豫。在晶化温度以上退火时,随着退火温度的升高,开始晶化时其居里温度降低,随着晶化程度的加深,其居里温度不断的提高;而对于Gd90Ni5.8Al4.2非晶纳米晶合金而言,随着退火温度的升高,非晶基底的居里温度和磁熵变不断的降低,晶体部分的居里温度略微增加,而磁熵变呈现先减小后趋于稳定的趋势。


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