磁制冷材料的磁热性能与磁热效应测量方法的研究

摘要

磁制冷技术是利用磁性材料的磁热效应(MCE)，与传统气体压缩制冷相比，具有效率高，无污染，运行稳定，无噪音等优点，吸引人们对其研究和探索。近些年，潜在的室温磁制冷候选材料成为研究的对象，而得到较大的磁热效应往往发现在铁磁到顺磁转变的一级相变磁性材料中。为寻找合适的室温磁制冷材料应该具有较大磁熵变和较大的温变，但有较大磁熵变和较大的温变不一定有较好的磁制冷能力，因为一级相变材料中有较大热滞，会使磁制冷效率降低;与之相比的二级相变具有相对低的磁热效应，但它有较大的磁制冷能力，因为它没有热滞损失，半峰宽比较宽。
　　研究结果表明，Mn1.25Fe0.75P1-xSix(x=0.50，0.52，0.54，0.56，0.58，0.60)系列合金样品的主相均为Fe2P型六角结构（空间群为P62m），在Si含量不同时，合金样品中存在FeSi型(空间群为P213)第二相，并且随着Si含量增加，晶格常数a有增大的趋势，c和c/a有减小的趋势;居里温度Tc线性增加，从240.8K增加到313.5K，热滞(△Thys)趋于减小，从6.1K减小到3.0K。当Si的含量为0.58时,在外磁场变化为0～1.5T下获得合金样品的最大等温磁熵变(-△Smax)为8.6J/kgK，并且该系列合金样品的最大相对制冷能力值(RCP)为102.4J/K。
　　研究结果表明，Mn1.35Fe0.65P0.45Si0.55Bx(x=0.00，0.01，0.02，0.03，0.04)系列合金样品的主相结构依然为Fe2P型六角结构（空间群为P62m），随着B含量的增加，晶格常数a有增大的趋势，c和c/a逐渐减小，体积(V)基本不变;通过VSM磁性测量，合金样品的居里温度Tc逐渐提高，从228K逐渐提高到315K;而它的最大等温磁熵变(-△Smax)在下降，分别为3.6，2.5，2.0，1.7，1.9J/kgK;热滞(△Thys)在3K左右变化，而且它的半峰宽在变大，说明该磁性材料随B含量的加入存在着由铁磁（FM)到顺磁（PM)一级相变向二级相变转变的趋势。通过差示扫描仪器测量合金样品的居里温度Tc相对于VSM所测量数据略有变小。由比热容随温度（Cm-T）变化曲线可知，随着B含量的增加，该系列合金样品的反常峰逐渐在向高温区移动，跳跃式变化逐渐减弱。
　　研究结果表明，MnFeP0.56Si0.44Bx(x=0.00，0.01，0.02，0.03，0.04)系列合金样品的主相均为Fe2P型六角结构（空间群为P62m）。随着B含量的增加，晶格常数a有增大的趋势，c线性减小，体积(V)基本保持不变，杂相逐渐消失;并且合金样品的居里温度（Tc）逐渐增加，从x=0时的274K增加到x=0.04时的351K，热滞(△Thys)线性减小（从48K减小到5.9K）;在外磁场为B=1.5T下合金样品的最大等温磁熵变为10.0J/kgK，且它的半峰宽在逐渐减小(从28K减小到12K)，最大相对制冷能力为122.3J/K;通过测量合金样品的DSC和比热容发现，合金样品的居里温度Tc和热滞相对于VSM的测量值略有偏大。
　　总之，本论文主要是用廉价的元素Si完全替代有毒As元素或当完全替代时加入B元素，用不同的测量方法研究它的物相结构、磁学性能及磁热效应，在居里温度点Tc附近寻找转变快，热滞小，温变宽，磁熵变较大，价格便宜，安全无毒无害的新型室温磁制冷材料。

目录

声明

摘要

第一章 引言

1．1 磁制冷技术的研究背景

1．2 磁制冷原理

1．3 磁热效应的热力学基础

1．4 磁制冷材料的选择依据

1．5 磁制冷材料的发展历史及所面临的问题

1．5．1 低温区(小于20K)

1．5．2 中温区(20～77K)

1．5．3 高温区(高于77K)

1．6 选题思路

参考文献

第二章 实验仪器和实验方法

2．1 数据处理软件

2．2 样品制备仪器

2．3 样品测量仪器

2．4 实验用主要原料及纯度

2．5 样品的制备和数据处理过程

2．6 磁性材料磁热性能的测试方法

参考文献

第三章 Mn1．25Fe0．75P1-xSix系列合金物相形成与磁热效应

3．1 引言

3．2 实验操作过程

3．3 Mn1．25Fe0．75P1-xSix系列合金样品的物相结构

3．4 Mn1．25Fe0．75P1-xSix系列合金样品的磁性测量

3．5 结论

参考文献

第四章 Mn1．35Fe0．65P0．45Si0．55Bx合金的结构和磁热效应

4．1 引言

4．2 实验操作过程

4．3 Mn1．35Fe0．65P0．45Si0．55Bx系列合金样品结构分析

4．4 Mn1．35Fe0．65P0．45Si0．55Bx系列合金样品的磁性测量

4．5 Mn1．35Fe0．65P0．45Si0．55Bx系列合金的比热容测量

4．6 结论

参考文献

第五章 MnFeP0．56Si0．44Bx合金的磁热效应及不同测量方法

5．1 引言

5．2 实验过程

5．3 MnFeP0．56Si0．44Bx系列合金的物相结构及颗粒度大小

5．4 MnFeP0．56Si0．44Bx系列合金的磁性测量

5．5 MnFeP0．56Si0．44Bx系列合金的DSC升降温曲线及比热容测量

5．6 结论

参考文献

致谢

攻读硕士期间的科研成果