低磁场下合金元素Zn对Gd_5Si_2Ge_2相变行为和磁热效应影响的研究

题名:低磁场下合金元素Zn对Gd_5Si_2Ge_2相变行为和磁热效应影响的研究
作者:侯雪玲
学位授予单位:上海大学
关键词:Gd_5Si_2Ge_2合金;;合金元素Zn;;热处理;;相变;;磁热效应
摘要:
 Gd5Si2Ge2合金具有无毒性、相变温度接近室温和其巨磁热效应,是近年来倍受关注的磁制
冷工质材料。但是,它的巨磁热效应必须在高成本的超导高磁场(5 T -12 T)下获得,低磁场(1.0 T
-1.7 T)下无法激发合金产生巨磁热效应,导致其应用成本增高。同时Gd5Si2Ge2合金的相变温度与
室温相比较低,制冷过程中磁滞后Magnetic lifter现象严重,这些问题阻碍了该合金未来的商业化应用。因此,在较
低磁场下,如何提高Gd5Si2Ge2合金的相变温度和磁热效应,并降低其磁滞后成为目前研究的热点。

本文系统研究了添加Zn元素同时或单独替代Si和Ge以及热处理对其合金在△H=1.5 T磁场下的相变
温度、相变性质、相变过程中的磁滞后、磁热效应和磁制冷能力的影响,阐述了添加适量Zn元素可
以提高Gd5Si2Ge2合金磁相变温度和磁热性能的机理和规律,为Gd5Si2Ge2合金在低磁场下获得巨磁
热效应提供了有效的方法和依据。研究结果表明:
 1.添加微量Zn元素可http://www.999magnet.com/products/131-magnetic-lifter以促进合金中
Gd5Si2Ge2型单斜相形成,抑制Gd5Si4型正交相产生;降低相变时需要的能量,提高一级相变的驱动力
,降低发生一级相变时的临界诱发磁场,使合金在△H=1.5 T磁场下产生巨磁热效应。在Gd5Si2-
xGe2Znx和Gd5Si2-zGe2-zZn2z合金系中,当x或者2z由0变化到0.001时,其最大等温磁熵变分别由
5.03 J/ kg·K提高到20.70 J/kg·K和25.30 J/kg·K;相变温度分别由276 K提高到284 K和280 K;
磁制冷能力分别由55.30 J/kg提高到96.14 J/kg和101.00 J/kg磁热性能高于目前文献中报道的
Gd5Si2Ge2及GdSiGeGa铸锭合金在高磁场(5 T)变化下的性能(|ΔSM|=20.5 J/kg·K ,Tc=276 K)[4]
,合金的综合磁热性能优秀。
 2.添加微量Zn元素后,使得通过传导电子才能相互作用的Gd原
子之间4 f-4 f电子之间作用力增强,自旋波能量增加,合金中Gd原子的磁矩提高;减小了室温
Gd5Si2Ge2单斜相晶胞体积,增强了磁性Gd原子之间的相互作用能,宽化了制冷区,提高了合金一级磁
相变温度和制冷能力。在Gd5Si2Ge2-yZny合金系中,当y由0变化到0.011时,合金的相变温度由276 K
提高到288 K;磁制冷能力由55.30 J/kg提高到169 J/kg,合金的综合磁热性能优良。
 3.用微
量Zn元素对Gd5Si2Ge2化合物进行合金化处理后,降低了合金的磁各向异性能,使合金在一级相变过
程中磁畴壁或磁矩运动的阻力减小,一级相变的临界诱发磁场降低,减小了合金在相变过程中磁滞后
现象,有利于提高合金的综合磁热性能。
 无论Zn元素单独或同时替代Si和Ge,都会使得合金在
1.5 T磁场下的相变温度、最大等温磁熵变、磁滞后和制冷能力得到改善,只是不同的替代方式对各
项性能提高的幅度有所不同。
 4.通过研究热处理温度对GdSiGeZn合金磁热效应的影响,发现
添加微量Zn元素后可以有效降低合金的最佳热处理温度,阻止Gd5Si2Ge2单斜相在773 K温度下的共
析反应,增加β相在此温度下的稳定性,降低Gd5Si4正交相含量,改善β相的磁内禀性能和对温度变
化和磁场变化的敏感性,增加一级相变的驱动力。在Gd5Si2Ge2-yZny合金中,当y=0.011时,773 K温
度下的热处理有助于提高合金的相变温度、等温磁熵变和磁制冷能力,降低一级相变过程中的磁滞
后。当热处理温度高于1413K时,由于快速冷却导致合金组织缺陷增加和相变驱动力减小,合金的相
变温度、等温磁熵变和磁制冷能力趋于减小,磁滞后现象严重。
 本研究工作开发了拥有自
主知识产权的GdSiGeZn合金,使Gd5Si2Ge2合金在1.5 T低磁场下,磁热效应提高了4-5倍,相变温度提
高了4~6 K,改变了磁制冷技术需要依赖高磁场的应用理念,在价格低廉NdFeB磁体能够达到的磁场强
度下,使Gd5Si2Ge2合金的应用成为可能。
学位年度:2009