论文摘要
Gd5Si2Ge2合金具有无毒性、相变温度接近室温和其巨磁热效应,是近年来倍受关注的磁制冷工质材料。但是,它的巨磁热效应必须在高成本的超导高磁场（5 T -12 T）下获得,低磁场（1.0 T-1.7 T）下无法激发合金产生巨磁热效应,导致其应用成本增高。同时Gd5Si2Ge2合金的相变温度与室温相比较低,制冷过程中磁滞后现象严重,这些问题阻碍了该合金未来的商业化应用。因此,在较低磁场下,如何提高Gd5Si2Ge2合金的相变温度和磁热效应,并降低其磁滞后成为目前研究的热点。本文系统研究了添加Zn元素同时或单独替代Si和Ge以及热处理对其合金在△H=1.5 T磁场下的相变温度、相变性质、相变过程中的磁滞后、磁热效应和磁制冷能力的影响,阐述了添加适量Zn元素可以提高Gd5Si2Ge2合金磁相变温度和磁热性能的机理和规律,为Gd5Si2Ge2合金在低磁场下获得巨磁热效应提供了有效的方法和依据。研究结果表明:1.添加微量Zn元素可以促进合金中Gd5Si2Ge2型单斜相形成,抑制Gd5Si4型正交相产生;降低相变时需要的能量,提高一级相变的驱动力,降低发生一级相变时的临界诱发磁场,使合金在△H=1.5 T磁场下产生巨磁热效应。在Gd5Si2-xGe2Znx和Gd5Si2-zGe2-zZn2z合金系中,当x或者2z由0变化到0.001时,其最大等温磁熵变分别由5.03 J/ kg·K提高到20.70 J/kg·K和25.30 J/kg·K;相变温度分别由276 K提高到284 K和280 K;磁制冷能力分别由55.30 J/kg提高到96.14 J/kg和101.00 J/kg磁热性能高于目前文献中报道的Gd5Si2Ge2及GdSiGeGa铸锭合金在高磁场（5 T）变化下的性能（|ΔSM|=20.5 J/kg·K ,Tc=276 K）[4] ,合金的综合磁热性能优秀。2.添加微量Zn元素后,使得通过传导电子才能相互作用的Gd原子之间4 f-4 f电子之间作用力增强,自旋波能量增加,合金中Gd原子的磁矩提高;减小了室温Gd5Si2Ge2单斜相晶胞体积,增强了磁性Gd原子之间的相互作用能,宽化了制冷区,提高了合金一级磁相变温度和制冷能力。在Gd5Si2Ge2-yZny合金系中,当y由0变化到0.011时,合金的相变温度由276 K提高到288 K;磁制冷能力由55.30 J/kg提高到169 J/kg,合金的综合磁热性能优良。3.用微量Zn元素对Gd5Si2Ge2化合物进行合金化处理后,降低了合金的磁各向异性能,使合金在一级相变过程中磁畴壁或磁矩运动的阻力减小,一级相变的临界诱发磁场降低,减小了合金在相变过程中磁滞后现象,有利于提高合金的综合磁热性能。无论Zn元素单独或同时替代Si和Ge,都会使得合金在1.5 T磁场下的相变温度、最大等温磁熵变、磁滞后和制冷能力得到改善,只是不同的替代方式对各项性能提高的幅度有所不同。4.通过研究热处理温度对GdSiGeZn合金磁热效应的影响,发现添加微量Zn元素后可以有效降低合金的最佳热处理温度,阻止Gd5Si2Ge2单斜相在773 K温度下的共析反应,增加β相在此温度下的稳定性,降低Gd5Si4正交相含量,改善β相的磁内禀性能和对温度变化和磁场变化的敏感性,增加一级相变的驱动力。在Gd5Si2Ge2-yZny合金中,当y=0.011时,773 K温度下的热处理有助于提高合金的相变温度、等温磁熵变和磁制冷能力,降低一级相变过程中的磁滞后。当热处理温度高于1413K时,由于快速冷却导致合金组织缺陷增加和相变驱动力减小,合金的相变温度、等温磁熵变和磁制冷能力趋于减小,磁滞后现象严重。本研究工作开发了拥有自主知识产权的GdSiGeZn合金,使Gd5Si2Ge2合金在1.5 T低磁场下,磁热效应提高了4-5倍,相变温度提高了46K,改变了磁制冷技术需要依赖高磁场的应用理念,在价格低廉NdFeB磁体能够达到的磁场强度下,使Gd5Si2Ge2合金的应用成为可能。
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摘要ABSTRACT第一章 绪论1.1 引言1.2 磁制冷技术及其原理1.2.1 磁制冷技术的磁学原理-自发磁化的唯象理论1.2.2 磁制冷技术的热力学原理1.2.2.1 等温磁熵变1.2.2.2 绝热温变1.2.2.3 绝热温变与等温磁熵变的关系1.3 磁制冷技术的发展1.3.1 低温磁制冷技术的发展1.3.2 室温下磁制冷技术的发展1.4 室温下磁制冷材料的发展1.4.1 室温下磁制冷材料的选择要求1.4.2 室温磁制冷工质材料的研究进展及其现状1.4.2.1 钙钛矿和类钙钛矿化合物1.4.2.2 Fe2P 型化合物1.4.2.3 NiMnGa 合金13-xMx（M= Si ,Al）系合金'>1.4.2.4 La（Fe ,Co）13-xMx（M= Si ,Al）系合金1.4.2.5 稀土金属Gd2Fe17 合金系列'>1.4.2.6 R2Fe17合金系列1.4.2.7 GdSiGe 合金1.5 磁制冷材料的相变行为与其巨磁热效应的关系1.6 低磁场下室温磁制冷材料的研究与开发1.7 本文研究目的和意义1.8 本文的研究思路1.9 本文的主要研究内容第二章 实验原理和方法2.1 合金成分设计2.2 样品制备2.2.1 真空熔炼2.2.2 真空退火2.3 磁性能测试及其结构分析2.3.1 振动样品磁强计2.3.1.1 相变温度测定2.3.1.2 等温磁熵变的计算2.3.2 磁力显微镜2.4 组织结构分析2.4.1 X 射线衍射方法2.4.2 扫描电子显微镜2.4.3 高分辨透射电子显微镜2.4.3.1 制备样品2.4.3.2 显微组织观察2.5 热分析2.5.1 差示扫描量热法5Si2Ge2合金相变行为和磁热效应影响的研究'>第三章 添加合金元素Zn 对Gd5Si2Ge2合金相变行为和磁热效应影响的研究3.1 前言5Si2-XGe2ZnX 合金的相变行为和磁热效应'>3.2 Gd5Si2-XGe2ZnX合金的相变行为和磁热效应5Si2-XGe2ZnX 合金相变行为的影响'>3.2.1 改变Zn 含量对Gd5Si2-XGe2ZnX合金相变行为的影响5Si2-XGe2ZnX 合金相变温度的影响'>3.2.1.1 改变Zn 含量对Gd5Si2-XGe2ZnX合金相变温度的影响5Si2-XGe2ZnX 合金相变性质的影响'>3.2.1.2 改变Zn 含量对Gd5Si2-XGe2ZnX合金相变性质的影响5Si2-XGe2ZnX 合金相变过程中磁滞后的影响'>3.2.1.3 改变Zn 含量对Gd5Si2-XGe2ZnX合金相变过程中磁滞后的影响5Si2-XGe2ZnX 合金磁热效应的影响'>3.2.2 改变Zn 含量对对Gd5Si2-XGe2ZnX合金磁热效应的影响5Si2Ge2-yZny 合金的相变行为和磁热效应'>3.3 Gd5Si2Ge2-yZny合金的相变行为和磁热效应5Si2Ge2-yZny 合金相变行为的影响'>3.3.1 改变Zn 含量对Gd5Si2Ge2-yZny合金相变行为的影响5Si2Ge2-yZny 合金磁相变温度的影响'>3.3.1.1 改变Zn 含量对Gd5Si2Ge2-yZny合金磁相变温度的影响5Si2Ge2-yZny 合金相变性质的影响'>3.3.1.2 改变Zn 含量对Gd5Si2Ge2-yZny合金相变性质的影响5Si2Ge2-yZny 合金相变过程中磁滞后的影响.'>3.3.1.3 改变Zn 含量对Gd5Si2Ge2-yZny合金相变过程中磁滞后的影响.5Si2Ge2-yZny 合金磁热效应的影响'>3.3.2 改变Zn 含量对Gd5Si2Ge2-yZny合金磁热效应的影响5Si2-zGe2-zZn2z 合金的相变行为和磁热效应'>3.4 Gd5Si2-zGe2-zZn2z合金的相变行为和磁热效应5Si2-zGe2-zZn2z 合金相变行为的影响'>3.4.1 改变Zn 含量对Gd5Si2-zGe2-zZn2z合金相变行为的影响5Si2-zGe2-zZn2z 合金相变温度的影响'>3.4.1.1 改变Zn 含量对Gd5Si2-zGe2-zZn2z合金相变温度的影响5Si2-zGe2-zZn2z 合金相变性质的影响'>3.4.1.2 改变Zn 含量对Gd5Si2-zGe2-zZn2z合金相变性质的影响5Si2-zGe2-zZn2z 相变过程中磁滞后的影'>3.4.1.3 改变Zn 含量对Gd5Si2-zGe2-zZn2z相变过程中磁滞后的影5Si2-zGe2-zZn2z 合金磁热效应的影响'>3.4.2 改变Zn 含量对Gd5Si2-zGe2-zZn2z合金磁热效应的影响3.5 本章小结第四章 1573 K 热处理对GdSiGeZn 合金相变行为和磁热效应影响的研究4.1 前言5Si2Ge2-yZny 合金相变行为和磁热效应的影响'>4.2 高温热处理对Gd5Si2Ge2-yZny合金相变行为和磁热效应的影响5Si2Ge2-yZny 合金相变行为的影响'>4.2.1 高温热处理对Gd5Si2Ge2-yZny合金相变行为的影响5Si2Ge2-yZny 合金相变温度的影响'>4.2.1.1 高温热处理对Gd5Si2Ge2-yZny合金相变温度的影响5Si2Ge2-yZny 合金相变性质的影响'>4.2.1.2 高温热处理对Gd5Si2Ge2-yZny合金相变性质的影响5Si2Ge2-yZny 合金相变过程中磁滞后影响'>4.2.1.3 高温热处理对Gd5Si2Ge2-yZny合金相变过程中磁滞后影响5Si2Ge2-yZny 合金磁热效应的影响'>4.2.2 高温热处理对Gd5Si2Ge2-yZny合金磁热效应的影响5Si2-zGe2-zZn2z 合金相变行为和磁热效应的影响'>4.3 高温热处理对Gd5Si2-zGe2-zZn2z合金相变行为和磁热效应的影响5Si2-zGe2-zZn2z 合金相变行为的影响'>4.3.1 高温热处理对Gd5Si2-zGe2-zZn2z合金相变行为的影响5Si2-zGe2-zZn2z 合金相变温度的影响'>4.3.1.1 高温热处理对Gd5Si2-zGe2-zZn2z合金相变温度的影响5Si2-zGe2-zZn2z 合金相变性质的影响'>4.3.1.2 高温热处理对Gd5Si2-zGe2-zZn2z合金相变性质的影响5Si2-zGe2-zZn2z 合金相变过程中磁滞后影响'>4.3.1.3 高温热处理对Gd5Si2-zGe2-zZn2z合金相变过程中磁滞后影响5Si2-zGe2-zZn2z 合金磁热效应的影响'>4.3.2 高温热处理对Gd5Si2-zGe2-zZn2z合金磁热效应的影响4.4 本章小结5Si2Ge2-yZny（y=0,y=0.011）合金相变行为和磁热效应影响的研究'>第五章 1413 K、770 K 热处理对Gd5Si2Ge2-yZny（y=0,y=0.011）合金相变行为和磁热效应影响的研究5.1 前言5Si2Ge2-yZny（y=0,y=0.011） 相变行为和磁热效应的影响'>5.2 中、低温热处理对Gd5Si2Ge2-yZny（y=0,y=0.011） 相变行为和磁热效应的影响5Si2Ge2-yZny （y=0,y=0.011）相变行为的影响'>5.2.1 中、低温热处理对Gd5Si2Ge2-yZny（y=0,y=0.011）相变行为的影响5Si2Ge2-yZny （y=0,y=0.011）合金相变温度的影响'>5.2.1.1 中、低温热处理对Gd5Si2Ge2-yZny（y=0,y=0.011）合金相变温度的影响5Si2Ge2-yZny （y=0,y=0.011）合金相变性质的影响'>5.2.1.2 中、低温热处理对Gd5Si2Ge2-yZny（y=0,y=0.011）合金相变性质的影响5Si2Ge2-yZny （y=0,y=0.011）合金相变磁滞后的影响'>5.2.1.3 中、低温热处理对Gd5Si2Ge2-yZny（y=0,y=0.011）合金相变磁滞后的影响5Si2Ge2-yZny （y=0,y=0.011） 合金磁热效应的影响'>5.2.2 中、低温热处理对Gd5Si2Ge2-yZny （y=0,y=0.011） 合金磁热效应的影响5.3 本章小结第六章 全文总结和主要创新点6.1 全文总结6.2 主要创新点6.3 对今后工作的设想参考文献作者在攻读博士学位期间公开发表的论文作者在攻读博士学位期间申请的专利作者在攻读博士学位期间主持及参与的项目作者在攻读博士学位期间编写的著作致谢
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- [1].Gd_5Si_2Ge_2系稀土磁制冷材料的研究简介[J]. 科技致富向导 2011(23)
标签：合金论文; 合金元素论文; 热处理论文; 相变论文; 磁热效应论文;
低磁场下合金元素Zn对Gd5Si2Ge2相变行为和磁热效应影响的研究
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