gd基合金晶体学、磁学、磁热性能及固溶强化的研究

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1、四川大学博士学位论文Gd基合金晶体学、磁学、磁热性能及固溶强化的研究材料学专业研究生肖素芬指导教师涂铭旌院士本论文综述了室温磁致冷材料的最新进展，用热力学原理结合磁制冷样机的要求对室温磁致冷材料进行了全面评估，得出纯金属Gd做制冷工质与金属问化合物相比仍有不少优势。针对Gd比较软，不能满足制冷样机对制冷工质材料的特殊要求，即既要有大的磁热效应，又要有较高的强度，采用合金化的方式，对Gd进行改型，欲达到两个目的：第一，在工程方面，通过对Gd的合金化，找到既具有大的磁热性能又具有较高强度的Gd基合金的化学

2、成分。第二，从基础研究的角度，不同元素进入Gd中，对Gd的晶体学、磁性能、磁热性能是否有影响，影响规律是什么?材料的磁性能的改变与微观的电子结构有何关系?这些问题的解决对Gd基合金在工程上进一步应用提供理论指导。围绕以上两个目的，本论文展开研究工作，采用超导样品磁强计及实验室自制的绝热温变直接测量装置测量材料的比饱和磁化强度、居里温度、磁热性能，用XRD，xPs手段研究材料的晶体结构及电子结构，用维氏硬度计测量材料的显微硬度，得到以下具有工程意义和基础研究意义的结果：l设计了7个系列的二元Gd基合金，

3、系统地研究了La、Ce、Pr、Nd、C、Y、Dy7个元素对Gd的机械强度、磁热性能的影响规律，找到了在室温既具有高的机械强度又具有可与纯Gd比拟的磁热性能的合金的最佳成分，在工程上具有重要意义。2系统地研究了La,Cc、Pr、Bid、C、Y、Dy对Gd在晶体学、磁性能方面的影响。在晶体学方面，对合金元素在晶体中的占位。研究发现当合金元素周溶进入Gd的晶格中。LB、Y、Dy在晶体中的分布为随机的。而ce、Pr、Nd、C则四川大学博士学位论文有在Gd的(101)晶面偏聚的行为。对密排六方晶胞轴比c／a，研

4、究发现对La、ce、Pr、Nd、C，当其含量达至65at％，合金的密排六方晶胞轴比c／a有明显的增加，而添加Nd的合金的轴比增加最大。对C、Y、Dy，轴比c／a随元素含量的增加而减小。在磁学方面，对比饱和磁化强度，研究发现除Dy以外，所有合金元素的加入，均使Gd基台金的比饱和磁化强度下降。对屠里温度，随L8、ce、Pr、Nd含羞的增加，合金的居里温度下降快，而随C、Y、Dy含量的增加，合金的居里温度下降慢。用分子场理论及稀土金属的RKKY交互作用理论对合金元素对居里温度的影响规律作了解释，认为合金元素

5、的加入，使反映合金中磁性原子闯的磁交换相互作用强度的deGennes因子减小，这是造成台金的居里温度随合金元素含量增加丽减小的原因。3用实验室自制的绝热温变直接测量装置结合超导样品磁强计对合金的磁热性能进行了全面的表征，系统地研究了不同种类、不同含量合金元素对Gd基合金磁热性能的影响规律：对合金在2T和5T的外加磁场变化下的等温磁熵变的研究表明，当La、ce、Nd的含量在2．2at％，Pr的含量在1．4at％，C、Y的含量在5at％，by的含量在10at％，各Gd基合金在室温与Gd的等温磁熵变差别不大

6、，与La、ce、Pr、Nd相比，对应相同的磁热效应，C、Y、by的添加量要大。对合金在lT磁场外加磁场变化下，对每一系列的Gd基合金，其在居里温度处的绝热温变随添加的合金的含量的增加而减小。其中Gd-Y合金的绝热温变随合金含量增加而下降的速率最小，Gd—L8台金的绝热温变随台金含量增加丽下降的速率最大。解释了合金在lT的磁场变化下的绝热温变随合金元素含量增加丽减小的原因。认为合金元素的加入，减小了合金的deGennes因子，增大了合金的热容，这是合金绝热温变减小的主要原因。4基于分子场理论，合理地建立

7、了理论模型，对各个系列的Gd基舍金在不同磁场变化下的等温磁熵变进行了计算，理论计算结果与实验结果吻和。表明研究所建横型对预测Gd基合金磁热性能、快速缔选磁致冷材料是合适的．5用测量显微硬度的方法对Gd基合金的机械强度进行了表征，结果表明在Ⅱ四川大学博士学位论文所研究的7个合金系列中，Gd．￡。合金的硬度提高最大，当C的含量超过3．5at％，Y含量超过5at％以上，对Gd的硬度的提高有明显作用。用经典的固溶强化理论解释了Gd．．Ic，合金的显微硬度高于其它合金系列的原因，认为c与Gd的大的失配及在晶格中

8、的间隙占位是C对Gd具有大的增强效应的主要原因。6用xPS研究了Gd基合金的电子结构，将微观的XPS的研究结果与宏观的合金的磁学性能联系起来。对合金的XPS的研究，主要关注了C,d原予中4f磁性电子及Gd原子之间在发生磁相互作用过程中所涉及到的5d电子的情况。研究发现，在5at％成分范围内，La、Ce、Pr、Nd的添加，Gd的4f电子的结合能不变，但Gd中4f与5d，5p与5d电子的能级闻距有了变化，这一结果与这一系列合金的居里温度与Gd比较有明显变化相