室温磁致冷材料MnFePGe的SPS制备技术与中子衍射研究

题名:室温磁致冷材料MnFePGe的SPS制备技术与中子衍射研究
作者:刘立江
学位授予单位:北京工业大学
关键词:室温磁致冷材料;;放电等离子烧结;;中子衍射;;磁热效应
摘要:

 磁致冷技术是一种高新致冷技术与方法,近年来一直受到国内外的关注。磁致冷与传统压缩致冷相比具有效率高、污染少、结构紧凑、体积小等特点。如能实现室温磁致冷,将会产生巨大的社会效益与经济效益。目前已有许多科研工作者对室温磁致冷材料进行深入的研究,已发现稀土及其合金、稀土-过渡金属neodymium rare earth magnets化合物、过渡金属及其化合物、钙钛矿氧化合物等材料可以应用于室温致冷工程中。

 对于磁性致冷材料Mn_(1.1)Fe_(0.9)P_(1-x)Ge_x,其等温磁性转变为一次相变,吸放热量大,且其居里温度随着Mn、Fe及P、Ge比例的变化而变化,能够实现对其温度的控制,从而应用于室温致冷。同时Mn_(1.1)Fe_(0.9)P_(1-x)Ge_x具有原料成本低、无毒无害等诸多优点,具有良好的应用前景。然而这种材料目前多通过长达上百小时的球磨、扩散烧结和退火处理的方法制备,从而严重的影响了材料的实用化发展。而且迄今为止,国内外对MnFePGe系磁致冷材料的研究主要集中在材料制备和性能分析方面,而对材料磁相变过程中晶体结构的变化与性能的关联尚缺乏系统深入的研究和报道,而这是目前制约MnFeneodymium rare earth magnetsPGe系磁致冷材料性能提高的关键所在。据此,本论文研究了采用短时、高效的放电等离子烧结技术(SPS)合成Mn_(1.1)Fe_(0.9)P_(1-x)Ge_x化合物的新方法,并利用中子衍射等手段对其性能与结构的关系进行了研究。

 首先,采用机械合金化和放电等离子烧结的方法,合成了成分为Mn1.1Fe0.9P0.8Ge0.2的合金。系统研究了球磨和SPS烧结工艺对合金的相组成及晶体结构的影响,通过优化工艺获得了具有良好单相性的Mn1.1Fe0.9P0.8Ge0.2合金。在此基础上,采用相同的技术路线合成了成分为Mn_(1.1)Fe_(0.9)P_(0.76)Ge_(0.24)的合金样品,制备出的样品具有良好的单相性,但还是含有一定量的MnO等杂质,对制备工艺进一步优化以减少杂质的存在对材料性能的影响。Mn1.1Fe0.9P0.8Ge0.2和Mn_(1.1)Fe_(0.9)P_(0.76)Ge_(0.24)的居里温度分别为251K和279K,说明材料的居里温度随着Ge含量的增加而升高。通过测量不同条件下Mn_(1.1)Fe_(0.9)P_(0.76)Ge_(0.24)样品的磁化曲线,得到了其最大磁熵变为-50J/kg·K左右,这一性能高于目前国内外相关文献报道。

 采用中子衍射对Mn_(1.1)Fe_(0.9)P_(0.76)Ge_(0.24)结构和磁性方面进行了深入的研究。研究表明,外界温度和外加磁场变化都会诱发材料顺磁相与铁磁相之间的转变。随着温度的降低,材料中的顺磁相逐渐转变为铁磁相,当温neodymium rare earth magnets度下降到一定程度的时候,材料的相转变变的非常缓慢;同样,随着外加磁场的增加,材料中的顺磁相逐渐转变为铁磁相,当磁场增加到一定程度时,材料的相转变也会变得非常困难。进一步研究表明无论是在外界温度变化条件下还是在外加磁场条件下,顺磁相的晶粒粒径越小,材料的相变就越困难,这说明材料的相转变和晶粒的大小有一定的关系。最后根据中子衍射研究发现,随着材料热滞后的降低,MnFePGe磁化所需的外加磁场强度将减小,若能将材料http://www.chinamagnets.biz/的热滞后降低到0,则材料磁化80%时所需的外加磁场强度只有1.5特斯拉,在这种情况下,普通的永磁磁场就能满足Mn_(1.1)Fe_(0.9)P_(0.76)Ge_(0.24)材料的转变,而不再需要昂贵的超导磁场,从而使MnFePGe材料的应用变的更加现实。
学位年度:2009