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磁性蓄冷材料Er_3Ni的氢化及其氢化物特性研究

李聪航  
【摘要】:低温制冷机在国防军事以及现代工业中扮演着重要角色,其应用遍及航空航天、能源工业、电子信息系统和生物医疗等各个领域。回热材料(蓄冷材料)的热物性是影响回热式低温制冷机性能的关键因素,传统蓄冷材料在低温下比热会急剧下降,在10K以下甚至低于氦气的比热,此时回热器效率将受到严重制约。随着低温下高比热容的磁性蓄热材料(譬如Er3Ni、HoCu2、GdAlO3等)的发现与应用,很大程度上解决了这个难题,这是由于这些材料在低温下发生磁相变时会产生异常的比热峰值,其比热明显高于传统蓄冷材料铅和不锈钢,使得在低温区能够保持良好的制冷性能。 低温制冷机的工质通常为He,有分析显示采用He-H2混合工质使脉管制冷机在30K温区获得比纯He系统更优的制冷性能并获实验验证。在He-H2混合工质脉管制冷机的实验中,意外发现制冷性能的提高比根据热力学的理论预测值要大,推测低温级回热填料Er3Ni吸氢后会形成Er3NiHx,该氢化物在低温下可能具有更高的比热而使制冷性能得到改善。但关于Er3Ni吸氢特性的研究甚少,仅有的文献报道集中在电磁性质。在此背景下,本文开展了磁性蓄冷材料Er3Ni的氢化及其氢化物特性研究,具体内容如下: 1)阐述Er3Ni吸氢过程与机理。参考吸氢合金材料的吸氢机理,从动力学角度描述了氢气分子如何形成原子并进入金属内部的过程,由此类比分析了Er3Ni氢化机理,并推算出Er3Ni的理论吸氢量。 2)设计和搭建Er3Ni氢化实验系统,根据不同的反应条件,对实验台进行优化改进。 3)在Er3Ni活化特性,氢化过程、可逆性及稳定性,以及低温下的氢化特性方面开展系统的实验研究与分析。 4)通过磁学测量系统和综合物性测量系统对氢化物Er3NiHx进行变温磁化曲线和比热的测量,分析氢化作用在磁相变和比热容方面产生的影响,并探讨其物理机制。


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