La(Fe,Si)13氢化物片状块体的高气压合成及磁热效应研究

摘要

La(Fe,Si)13氢化物被认为是最具有应用前景的室温磁制冷工质之一，主动磁蓄冷样机上使用的理想磁制冷工质通常要求为片状块体，而对La(Fe,Si)13块体直接氢化会产生裂纹。本文首先采用电弧熔炼法制备了 La0.5Pr0.5Fe11.4Si1.6，La0.6Pr0.4Fe11.4Si1.6B0.2以及 La0.9Ce0.1Fe11.7-xMnxSi1.3合金，再利用自制的高气压热处理装置，在压强大于40MPa的高压氢气气氛中烧结制备了片状 La(Fe,Si)13氢化物块体。利用X射线衍射仪(XRD)分析了样品晶体结构以及相结构；利用扫描电子显微镜(SEM)对样品尺寸分布及外观形貌进行表征；利用超导量子干涉仪(SQUID)对样品的磁性能进行了测量。主要研究了氢压、烧结时间、温度及元素掺杂对片状La(Fe,Si)13氢化物块体的晶体结构、相组成、滞后损耗及磁熵变的影响规律。在滞后基本消除的基础上，得到了在室温具有优良制冷性能的，可在主动磁蓄冷式冷机上使用的片状磁制冷工质。
　　通过在压强为50MPa，温度为600℃的高压氢气气氛中烧结，制备了片状La0.5Pr0.5Fe11.4Si1.6氢化物块体。高压氢气气氛抑制了烧结过程中的氢原子的逸出，制备得到的氢化物块体具有较高的致密度。通过XRD以及对样品磁性的测量，我们详细的研究了片状La0.5Pr0.5Fe11.4Si1.6氢化物的结构及磁热效应。结果显示，高致密度片状磁制冷工质显示了优越的磁制冷性能，在0-2T的外磁场下，其磁熵变ΔSm在330K取得最大值15.5J/kg·K(体积磁熵变为106mJ/cm3·K)。
　　通过在压强为50MPa，温度为600℃的高压氢气气氛中烧结，我们制备了片状La0.6Pr0.4Fe11.4Si1.6B0.2氢化物块体。通过XRD以及对样品磁性的测量，我们研究了B掺杂对片状氢化物的结构以及磁热效应的影响。结果显示，B掺杂有利于合金在烧结过程中保持稳定的1:13相，同时可以提高氢化物的居里温度并显著降低其磁滞。制备得到的高致密度片状磁制冷工质显示了优良的磁制冷性能，在0-5T的外磁场下，其磁熵变ΔSm在340K取得最大值16.2J/kg·K。
　　在压强为40MPa，温度为分别为700和500℃的高压氢气气氛下烧结制备了片状La0.9Ce0.1Fe11.7-xMnxSi1.3Hy(x=0,0.29,0.35,0.41)氢化物块体。通过XRD以及对样品磁性的测量，研究了Mn掺杂以及高温烧结对氢化物结构、相组成以及磁热效应的影响。结果表明，Mn的掺杂有利于抑制α-Fe的析出，并且使得片状氢化物块体的居里温度降低至室温附近。在0-2T的外磁场下，700℃下制备的片状La0.9Ce0.1Fe11.35Mn0.35Si1.3氢化物块体的磁熵变ΔSm在289K达到最大值4.3J/kg·K。在0-2T和0-5T的磁场下，500℃下制备的片状La0.9Ce0.1Fe11.35Mn0.35Si1.3氢化物块体在290K的最大磁熵变ΔSm分别达到7.5和12.4J/kg·K；在1.5T的磁场下，直径10mm，厚度为2和3mm的片状La0.9Ce0.1Fe11.35Mn0.35Si1.3氢化物块体的绝热温变ΔTad分别在297和295K取得最大值2和2.1K。

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第1章 绪论

1.1 前言

1.2 磁制冷技术的原理

1.3 室温磁制冷材料的选择依据

1.4材料的相变行为

1.5 磁制冷技术的发展概况

1.6 La(Fe,Si)13化合物的结构及其磁热性能研究进展

1.7 La(Fe,Si)13氢化物实用化面临的几个关键问题

1.8 本文的研究思路以及研究内容

第2章 样品的制备及表征

2.1 样品的制备流程

2.2 样品的性能表征

2.4 绝热温变的直接测量

第3章 具有优良磁制冷性能的片状La0.5Pr0.5Fe11.4Si1.6氢化物的高气压合成及磁热效应研究

3.1 引言

3.2 实验方法

3.3 结果与讨论

3.4 本章小结

第4章 B掺杂对片状La0.6Pr0.4Fe11.4Si1.6氢化物的结构及磁热效应的影响

4.1 引言

4.2 实验方法

4.3 结果与讨论

4.4 本章小结

第5章 片状La0.9Ce0.1Fe11.7-xMnxSi1.3氢化物的高气压合成及磁热效应研究

5.1 引言

5.2 实验方法

5.3 结果与讨论

5.4片状氢化物块体磁热效应的优化

5.5 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和获得的科研成果

致谢