Mn系磁熵變材料的制備及性能研究.pdf

1、相對于傳統(tǒng)的氣體制冷方式，磁制冷在節(jié)能、制冷效率、環(huán)境友好等許多方面有著顯著的優(yōu)勢，已經受到越來越多的國家和研究人員的重視。磁制冷是以磁性材料的磁卡效應為基礎的一種制冷方式。磁制冷領域中一個重要的研究方向就是尋找具有巨大磁熵變的磁制冷材料。目前研究磁制冷材料主要集中在三個方面：(一)低溫區(qū)域的磁熵變材料，其中最具代表性的有Gd3Ga5O12(GGG)、硝酸鈰鎂和RAI2型復合材料等等；(二)中等溫區(qū)的磁熵變材料，代表性的材料是單質稀土金

2、屬Dy；(三)室溫附近的磁制冷材料，代表性的材料有金屬Gd。 20世紀70年代開始，特別是近些年來，磁制冷材料成為了國際上的研究熱點，并且取得了許多突破。例如，1996年，Zimm等人在美國宇航公司(NASA)和阿拉默斯實驗室(Los Alamos)資助下，采用3 kg金屬Gd作為磁制冷工質，成功研制出一臺室溫磁制冷機。磁場變化范圍為0-5 T時，得到60.W的制冷功率，性能系數(shù)達到15，相當于60％的卡諾效率，該實驗證明了磁制

3、冷技術具有良好的應用前景。 本文采用高真空電弧熔煉的方法制備了磁熵變較大的Ni-Mn基合金，而且還采用了吸鑄法制備合金和磁控濺射法制備薄膜。主要研究了Ni-Mn-Sn母合金、Fe元素替代Ni元素形成的合金的結構、吸鑄合金和薄膜的磁性質和磁熵變性質，得到了性能很好的磁熵變材料。Ni-Mn基合金根據(jù)材料成分配比的不同，分布在中等溫區(qū)到室溫的溫度范圍內。論文的主要內容如下： 首先是緒論部分，主要介紹磁熱效應的定義與原理，磁制冷

4、材料的歷史與現(xiàn)狀，本課題研究背景以及研究的意義和課題的內容。 第一章，介紹磁性材料的基本理論知識。主要包括磁性材料的磁滯現(xiàn)象；磁性材料的幾項基本參量；磁熱效應的熱力學基礎和磁熱效應的測量方法。 第二章，簡單介紹磁制冷材料樣品制備的實驗方法和測量手段及其原理，包括合金結構的分析測量，磁熱曲線的測量，等溫磁化曲線的測量等等。 第三和第四章，主要是討論了Ni45.4+xMn41.5-xSn13.1(x=0，1.5，3.

5、0)、(Ni44-xFex)Mn46Sn10(x=0，1，2)兩種合金系的結構、磁性質、磁熱效應、磁熵變和相變類型等。利用高真空電弧熔煉設備制備的合金樣品，樣品在真空下被封裝至石英管中，然后進行真空退火處理，隨后在設定的的冷卻條件下冷卻。采用X-射線衍射儀(XRD)對樣品的結構進行測量，得出合金主相為Heusler型的L2t結構。利用振動樣品磁強計(VSM)測試了樣品的磁熱曲線、等溫磁化曲線和磁滯回線等磁學性質。 第五章，研究了

6、吸鑄法制備的合金和磁控濺射法制備的薄膜的性能。對吸鑄態(tài)樣品，在1173 K溫度下，進行不同時間的退火，得到了不同磁性質的樣品。隨著退火時間的增加的各樣品，在隨著溫度的降低時，都有發(fā)生結構相變，相變前后磁矩降低的差值越來越大。我們還利用直流磁控濺射法，在不同的濺射功率條件下，和使用不同成分的靶材，在Si基片上制備了薄膜，得到了磁性質發(fā)生明顯變化的薄膜樣品。但是研究發(fā)現(xiàn)，薄膜樣品都沒有發(fā)生結構相變。這兩類樣品相對于正常熔煉的樣品磁熵變性能都