mn系磁熵变材料制备及性能的研究

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1、福建师范大学硕士学位论文Mn系磁熵变材料的制备及性能研究姓名：王大伟申请学位级别：硕士专业：凝聚态物理指导教师：李山东20090401中文摘要21世纪是高效、洁净和安全利用新能源的高科技时代。在这样的时代，制冷技术起着十分重要的作用，而相对于压缩机制冷的磁制冷技术由于其具有效率高、体积小、无污染和噪声低的特点而倍受关注。磁制冷技术就是利用磁性材料作为制冷工质的制冷机。作为磁制冷工质的磁性材料又是磁制冷技术的关键因素。因此，对磁制冷材料的研究是个非常重要的课题。本论文从磁制冷材料0吼．Mn．Sn合金)的制备、热处理、结构测量、磁性质测量到对

2、实验结果讨论等一系列工作来探寻磁制冷材料的选材、结构、居里温度、磁熵变、相变类型等问题。并且本文还利用了低场Arrott曲线方法判断合金的相变类型。具体的研究工作主要有：(1)采用高真空电弧熔炼法制各Nhs．4+xMn41．15嘱Snl3．1(X=O，1．5，3．0)合金，经过1173K高温真空退火24小时，样品随炉冷却，得到结构比较单一的Heusler结构合金，居里温度接近于室温，在1．2T的外磁场下，Nh8．41VLrl38．5Snl3．1合金磁熵变的大小为3．7J／kgK，Arrott曲线结果表明该系列合金为一级相交。实验结果表明，

3、Nhs．4M．1138．5Snl3．1合金是应用于250K附近温区的良好材料。(2)采用元素替代的方法，制备(Ni44—xFex)Mn46Snlo(x=o、1、2)合金，Fe原子替代Ni原子。样品随着温度的降低，样品从铁磁奥氏体转变为顺磁马氏体态，且奥氏体居里温度都在室温以上，而结构相变温度范围在200K附近。值得注意的是，在1T的低外磁场下，样品Ni44Mn46Snlo的磁熵变大于18J／kgK。远远高于金属Gd在同样外磁场下的磁熵变值。(3)利用吸铸法制备合金和磁控溅射法制备薄膜。研究了Ni．M．n．Sn合金在吸铸后不同退火时间和薄膜

4、的磁性质。吸铸态合金在1173K的温度下进行不同的退火时间后，得到磁化强度的变化随着退火时间增加而增大。对于薄膜材料，随着制各条件的改变，样品的居里温度和磁性能发生了较大改变，而且奥氏体居里温度240K变化到270K。吸铸态和薄膜的磁熵变性能较正常方式制备的样品都比较低。关键词：磁制冷；磁熵变；磁卡效应；磁性材料；电弧熔炼。中文文摘相对于传统的气体制冷方式，磁制冷在节能、制冷效率、环境友好等许多方面有着显著的优势，已经受到越来越多的国家和研究人员的重视。磁制冷是以磁性材料的磁卡效应为基础的一种制冷方式。磁制冷领域中一个重要的研究方向就是寻

5、找具有巨大磁熵变的磁制冷材料。目前研究磁制冷材料主要集中在三个方面：(一)低温区域的磁熵变材料，其中最具代表性的有Gd3Gas012(GGG)、硝酸铈镁和RAl2型复合材料等等；(--)中等温区的磁熵变材料，代表性的材料是单质稀土金属Dy；(三)室温附近的磁制冷材料，代表性的材料有金属Gd。20世纪70年代开始，特别是近些年来，磁制冷材料成为了国际上的研究热点，并且取得了许多突破。例如，1996年，Zimm等人在美国宇航公司(NASA)和阿拉默斯实验室(LosAlamo$)资助下，采用3kg金属Gd作为磁制冷工质，成功研制出一台室温磁制冷

6、机。磁场变化范围为O．5T时，得到600W的制冷功率，性能系数达到15，相当于60％的卡诺效率，该实验证明了磁制冷技术具有良好的应用前景。本文采用高真空电弧熔炼的方法制备了磁熵交较大的Ni．Mn基合金，而且还采用了吸铸法制备合金和磁控溅射法制备薄膜。主要研究了Ni．Mn．Sn母合金、Fe元素替代Ni元素形成的合金的结构、吸铸合金和薄膜的磁性质和磁熵变性质，得到了性能很好的磁熵变材料。Ni-Mn基合金根据材料成分配比的不同，分布在中等温区到室温的温度范围内。论文的主要内容如下：首先是绪论部分，主要介绍磁热效应的定义与原理，磁制冷材料的历史与

7、现状，本课题研究背景以及研究的意义和课题的内容。第一章，介绍磁性材料的基本理论知识。主要包括磁性材料的磁滞现象；磁性材料的几项基本参量；磁热效应的热力学基础和磁热效应的测量方法。第二章，简单介绍磁制冷材料样品制备的实验方法和测量手段及其原理，包括合金结构的分析测量，磁热曲线的测量，等温磁化曲线的测量等等。第三和第四章，主要是讨论了Nh5．4+xMIl41。5．xSnl3。I衅0，1．5，3．0)、(Ni44-xFex)Mn46Snlo(x=0，1，2)两种合金系的结构、磁性质、磁热效应、磁熵变和相变类型等。利用高真空电弧熔炼设备制备的合金

8、样品，样品在真空下被封装至石Iil中文文摘英管中，然后进行真空退火处理，随后在设定的的冷却条件下冷却。采用xl射线衍射仪(Ⅺ[m)对样品的结构进行测量，得出合金主相为Heusler型的L2l结