La1-xPrxFe13-ySiy化合物的晶体结构、磁性和磁热效应

论文摘要

立方NaZn13型金属间化合物La(FexM1-x)13（M=Al，Si），由于其价格低廉、环境友好且具有大的磁热效应，有望成为优良的室温磁制冷材料。本文通过稀土位替代和铁位的替代系统地研究了La1-xPrxFe13-ySiy化合物的磁性、磁热效应和巡游电子变磁转变特性。主要结果如下：首先，研究了在高Si（1.6＜x≤2.6）含量中Si含量较低的化合物La0.8Pr0.2Fe13-xSix（x=2.0，1.8）的相结构、磁热效应以及变磁转变特性。结果表明，La0.8Pr0.2Fe13-xSix合金锭子在高真空和1373K的高温下退火5天就可以形成立方NaZn13晶体结构。随着Si含量的增加，晶格体积收缩，居里温度升高，相变性质由一级相变向二级相变过渡同时也削弱了巡游电子变磁转变特性。在0-1.5T磁场变化下La0.8Pr0.2Fe11.2Si1.8化合物在居里温度Tc=210 K附近的最大等温磁熵变|ΔS（T，H）M|max=10.43 J／kg．K远远大于Gd的。并且发现该化合物在相变温度以上发生了由磁场诱导的巡游电子变磁转变，虽然这种特性不很明显，但也导致了低磁场下大的等温磁熵变。其次，研究了在低Si含量的LaFe13-xSi-x（1.2≤x≤1.6）中，以不同含量的金属Pr取代部分La的化合物La1-xPrxFe11.4Si1.6（X=0.1，0.2，0.3）的成相退火时间和相组成。实验发现，经过5天的高温退火后，样品皆形成了立方NaZn13型单相结构，表明用少量的金属Pr替代部分La原子，可以明显缩短退火成相的时间。部分Pr替代La原子后，会引起晶格畸变，有更多空位产生。这就更利于空位机制扩散，化学势梯度也相应增加。实验还发现Tc附近的磁化强度发生了剧烈变化，这就引起了磁化率的巨变，说明Pr的加入增强了磁晶耦合作用。另外定性地说明了用少量Pr代替La可以增加ac／b2的值和临界磁场Bc（T），降低了合金体系顺磁态和铁磁态间的能垒，增强了巡游电子变磁转变特性。研究也表明当Pr含量增加到x=0.3时，相结构稳定性下降，α-Fe相及基底杂相增多，居里温度升高，磁热效应下降。在外磁场为1.5T时，Pr含量为x=0.1，0.2，0.3时La1-xPrxFe11.4Si1.6在相应的居里温度206 K，194 K，206 K处的最大磁熵变|ΔS（T，H）M|max分别为15.06 J／kg．K、37.08 J／kg．K和15.22 J／kg．K。由于化合物La0.8Pr0.2Fe11.4Si1.6在低磁场下就可以获得巨大的磁熵变，并且主要元素Fe约占合金成份的80％，价格便宜，所以该金属间化合物在相应温区内是一种非常有前途的磁制冷材料。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 磁热效应及磁制冷材料
• 1.1.1 磁热效应及磁制冷的产生与发展
• 1.1.2 磁热效应的热力学理论
• 1.1.3 磁制冷材料的发展历史及现状
• 13型La（Fe,Si）₁₃金属间化合物的晶体结构和磁性'>1.2 立方NaZn₁₃型La（Fe,Si）₁₃金属间化合物的晶体结构和磁性
• 13结构'>1.2.1 理想的LaFe₁₃结构
• 13-xSi_x化合物的结构和磁性'>1.2.2 LaFe_13-xSi_x化合物的结构和磁性
• 13-xSi_x化合物的制备工艺研究'>1.2.3 LaFe_13-xSi_x化合物的制备工艺研究
• 13-xSi_x化合物中巨大的磁熵变行为'>1.2.4 LaFe_13-xSi_x化合物中巨大的磁熵变行为
• 1.3 巡游电子变磁转变
• 1.4 选题思路及研究内容
• 第二章 实验方法
• 2.1 主要实验仪器和设备
• 2.2 样品的制备、晶体结构的确定以及磁测量
• 2.2.1 样品的制备方法
• 2.2.2 样品晶体结构的确定
• 2.2.3 磁性测量和数据处理方法
• 0.8Pr_0.2Fe_13-xSi_x（x=2.0,1.8）的晶体结构和磁熵变研究'>第三章 金属间化合物La_0.8Pr_0.2Fe_13-xSi_x（x=2.0,1.8）的晶体结构和磁熵变研究
• 3.1 引言
• 0.8Pr_0.2Fe_13-xSi_x（x=2.0,1.8）金属间化合物的结构、磁性和磁热效应'>3.2 La_0.8Pr_0.2Fe_13-xSi_x（x=2.0,1.8）金属间化合物的结构、磁性和磁热效应
• 0.8Pr_0.2Fe_13-xSi_x（x=1.8,2.0）化合物的结构和居里温度分析'>3.2.1 La_0.8Pr_0.2Fe_13-xSi_x（x=1.8,2.0）化合物的结构和居里温度分析
• 0.8Pr_0.2Fe_13-xSi_x（x=1.8,2.0）化合物的磁性及磁热效应'>3.2.2 La_0.8Pr_0.2Fe_13-xSi_x（x=1.8,2.0）化合物的磁性及磁热效应
• 3.3 小结
• 1-xPr_xFe_11.4Si_1.6（x=0.1,0.2,0.3）金属间化合物的晶体结构和磁熵变研究'>第四章 La_1-xPr_xFe_11.4Si_1.6（x=0.1,0.2,0.3）金属间化合物的晶体结构和磁熵变研究
• 4.1 引言
• 1-xPr_xFe_11.4Si_1.6（x=0.1,0.2,0.3）金属间化合物的结构、磁性和磁熵变'>4.2 La_1-xPr_xFe_11.4Si_1.6（x=0.1,0.2,0.3）金属间化合物的结构、磁性和磁熵变
• 4.2.1 结构表征
• 4.2.2 基本磁性
• (1-x_Pr_xFe_11.4Si_1.6（x=0.1,0.2,0.3）化合物的磁热效应'>4.2.3 La₍1-x_Pr_xFe_11.4Si_1.6（x=0.1,0.2,0.3）化合物的磁热效应
• 4.3 小结
• 第六章 总结
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表论文目录
• 附录
• 致谢