新型磁制冷材料MnCoGe系列化合物的磁性与磁热效应

摘要

磁制冷是一种通过材料磁热效应来实现制冷的技术。其广泛的应用前景、高效率和环保性能已被引起人们的极大兴趣。目前实现磁制冷技术的核心问题是发现和研制高效廉价磁工质。最近，高温区磁制冷材料与技术有很多突破性进展。MnCoGe系列化合物是近几年新兴的一种很有潜力的磁制冷材料。但对该系列化合物的制备工艺、磁学性能、磁热效应性能、相变机理等研究还处于初步阶段。
　　 本论文的工作是以该材料的磁热效应为研究对象，研究材料成分和制备工艺等条件对该系列化合物晶体结构、物相形成、磁学性能、磁热效应的影响，意在改进该材料的磁热效应性能和寻找比较理想的磁制冷工质。
　　 本论文第一章、第二章、第三章分别介绍了磁制冷材料与技术研究进展、磁热效应材料热力学基础以及本文工作中所用实验仪器设备和实验方法。在第四章、第五章中分别对MnCo1-xVxGe(x=0.00，0.02，0.04，0.06，0.08，0.10，0.20和0.30)、Mn1-xVxCoGe(x=0.00，0.02，0.05，0.08，0.11，0.14，0.17和0.20)和MnCoGeB0.03化合物的晶体结构、磁学性能和磁热效应进行了系统的研究。Co晶位上原子性质或缺陷等对该系列化合物的性能有非常明显的影响。本文第四章侧重研究V替代Co效应对该化合物性能的影响。随着V的增加，该系列化合物的居里温度降低，磁熵变明显地提高。TC=265附近磁场变化为1.5 T时的最大磁熵变为3.9J/kgK。该系列化合物的磁性主要来自Mn原子的磁矩，因而在第五章第一节中报道了V替代Mn原子对该系列化合物性能的影响。随着V的增加，该系列化合物的居里温度也是降低的。磁熵变也有明显的提高，TC=325附近，磁场变化为1.5 T时的最大磁熵变为3.4J/kgK。在第二节中研究了热处理工艺对Mn0.95V0.05CoGe化合物的晶体结构和和磁热效应的影响。结论表明在1123 K退火处理为5天(120小时)的样品的磁热效应最理想。第三节中报道了B原子的添加效应对该系列化合物磁学性能的影响。随着B含量的增加，该系列化合物的居里温度没有太大的变化，但磁熵变的确提高了不少。磁场变化为1.5 T时MnCoGeB0.03最大磁熵变为3.2 J/kgK。研究发现MnCoGe系列化合物在较低的磁场下具有较大的磁热效应，并且通过改变V/Co、V/Mn的比例和添加B的含量，可以大幅度的调整其居里温度。这些值都优于金属Gd在同样条件下的磁熵变值。研究表明该系列化合物经历二级相变，而不存在热滞现象，因而最适合于实现可逆热循环。
　　 考虑到该化合物的居里温度可以通过调整化合物的组分而改变，由此就可以通过设计工作温度可调的复合型磁致冷材料以保证磁制冷机工作在一个较宽的温区。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：Nomenclature

声明

Chapter 1 Introduction

1.1 Magnetic refrigeration

1.2 The development of magnetic refrigerators

1.3 An overview of the large MCE materials

1.3.1 First-order phase transition materials

1.3.2 Second-order phase transition materials

1.4 Outline of this thesis

References

Chapter2 Theoretical aspects

2.1 Thermodynamics of the magnetocaloric effect

2.2 Methods of the determination of magnetocaloric effect

References

Chapter3 Experimental techniques

3.1 Sample preparation

3.1.1 Sample preparation by arc melting

3.1.2 Heat treatment of the samples

3.2 Sample characterization

3.3 Magnetic measurements

Chapter4 Preparation，Structure，Magnetic and Magnetocaloric effects of MnCo1-xVxGe compounds

4.1 Introduction

4.2 Experimental

4.3 Results and discussion

4.3.1 Structure and phase analysis

4.3.2 The magnetic properties of the MnCo1-xVxGe samples

4.4 Concluding remarks

References

Chapter5 Magnetic properties and magnetocaloric effects in Mn1-xVxCoGe compounds

5.1 Introduction

5.2 Experimental

5.3 Results and discussion

5.4 Concluding remarks

References

Chapter6 B addition effects on the magnetic properties and magnetocaloric effects in MnCoGe compounds

6.1 Introduction

6.2 Experimental

6.3 Results and discussion

6.4 Concluding remarks

References

Publications

Projects

Acknowledgments