基于低熔点合金添加的LaFeSi合金的磁热性能研究

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NaZn13型LaFeSi基合金具有磁热效应高,居里温度可调和绿色环保等优点,受到研究者们的广泛关注。本论文针对LaFeSi基合金居里温度低和致密化困难的不足,首先研究了元素掺杂对快淬合金薄带居里温度和磁热性能的影响,后通过低熔点PrCo合金添加,研究采用热压烧结和放电等离子烧结技术制备LaFeSi/PrCo合金磁体,研究了制备工艺-微观结构-物相成分-磁热性能的内在关系。主要内容如下:首先,通过电弧熔炼和熔体快淬技术制备了分别掺有Co和Ce的La(Fe,Si)13合金薄带,研究了不同热处理工艺对合金薄带微观结构和磁热性能的影响。Co掺杂研究发现,Co可以明显提高合金薄带的居里温度。后续热处理研究显示,退火时间对居里温度影响不大,而最大磁熵变和制冷能力变化较为剧烈。其中,退火4 h所制合金薄带最大磁熵变和制冷能力最大,分别为13.41 J·kg-1·K-1和338.03J·kg-1,这归因于其在居里温度附近较为剧烈的磁化强度变化和最高的1:13相含量。Ce掺杂研究显示,Ce掺杂后合金薄带的居里温度随热处理工艺的变化有不同程度的降低,最高仅为209 K,Ce掺杂所引起的晶格收缩是居里温度下降的主要原因。随着退火时间的增加,制冷能力呈现先升高后降低的变化趋势,其中,退火时间为4 h时,合金薄带的巡游电子变磁转变现象最为明显,因而其制冷能力最大达到409.61 J·kg-1。其次,采用低熔点PrCo合金添加,通过真空热压烧结技术,制备了(La,Ce)Fe Si/PrCo磁体,研究显示,对前驱体LaCeFeSi薄带退火更有利于制备高1:13相含量的磁体。后续对磁体退火可以促进Co进入1:13相晶格,有助于居里温度的升高,从未退火态的177 K增加到201 K。2 h和4 h退火条件下,由于生成了铁磁性Ce2Fe17相,因而其存在两个居里温度,分别为177 K和328 K。后通过热处理工艺优化,制备出了最大磁熵变和制冷能力分别为9.97 J·kg-1·K-1和207.14J·kg-1的(La,Ce)Fe Si/PrCo磁体。最后,通过放电等离子烧结技术制备了LaFeSi/PrCo磁体,研究发现,Pr0.81Co0.19合金的添加可以改善磁体的致密化程度和磁热性能,其中Pr0.81Co0.19添加量为5 wt.%时,磁热性能最佳,最大磁熵变和制冷能力分别为12.10 J·kg-1·K-1和198.53 J·kg-1,分别提高了46.1%和8.3%。居里温度研究显示,Pr0.81Co0.19合金的添加不利于居里温度的提升,这表明Pr对居里温度的降低效应强于Co对居里温度的提高效应。LaFeSi/5 wt.%PrCo磁体热处理研究发现,随着热处理时间的增加,最大磁熵变和制冷能力均呈先增大后减小趋势,其中退火6 h时,其最大磁熵变和制冷能力最高,分别为12.54 J·kg-1·K-1和280.38 J·kg-1。居里温度随退火时间的增加而降低,Pr向1:13相晶格过度扩散所导致的收缩效应是主要原因。这表明PrCo低熔点相的添加有利于制备出具有较高磁热性能的LaFeSi磁体。
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