CoGdHo和CoTbHo非晶合金纤维的磁热性能研究

来源 :哈尔滨工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:chrisfei
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磁制冷技术在当下的制冷及低温工程、航空航天等众多领域都有着极为重要的应用,以其清洁环保、能源利用率高等优点有逐步替代传统制冷方式的趋势。寻求低成本、宽制冷温区、大磁热效应的磁制冷材料作为磁制冷工质是该领域亟待探索的方向,具有着重要的研究价值,对磁制冷技术的实际应用有着重大的意义。相较于一般的磁制冷材料,稀土基磁制冷材料由于其大的原子磁矩往往也具有大的磁熵变值,中熵合金磁制冷材料非晶形成能力强且成分可调性更强,非晶磁制冷材料磁滞小、磁矩大,纤维形态磁制冷材料热交换效率高。为结合这些类型材料的优点,本课题设计了两组成分分别为CoGdHo和CoTbHo的合金体系,通过将真空熔炼、吸铸后得到的合金棒材采用熔体抽拉法制备成纤维态合金的方法,制备出了微米级的中熵合金CoGdHo、CoTbHo非晶纤维。通过X射线衍射分析得到纤维的微观结构,DSC热分析得到纤维的基本热物性参数进而计算合金体系的非晶形成能力,综合物性测量实验得到合金棒材及纤维的热磁曲线与等温磁化曲线进而分析其相变特征与制冷能力。CoGdHo和CoTbHo均为三元合金体系,二者混合熵值均为9.13J·K-1mol-1,属于中熵合金体系,混合焓分别为-19.6J·mol-1与-20J·mol-1,原子半径差异度δ分别可以达到12.4%和11.6%。DSC热分析得出CoGdHo合金纤维的玻璃转变温度Tg为525K,晶化温度Tx为571K;CoTbHo合金纤维的玻璃转变温度Tg为532K,晶化温度Tx为576K。通过理论计算得到两组成分的合金形成非晶组织的临界冷却速度分别为767.361K/s和1333.521K/s。以上数据均可以表明CoGdHo与CoTbHo合金具有很强的非晶形成能力。通过真空电弧熔炼、吸铸的方式得到铸态合金棒,采用熔体抽拉法将合金制备成CoGdHo、CoTbHo非晶纤维。熔体抽拉法工艺选择铜轮的转速为1700r/min,即线速度约30m/s,熔融合金液的进给速度选择为30μm/s。XRD分析结果表明熔体抽拉法制备得到的CoGdHo、CoTbHo合金纤维均具有非晶基体,同时在基体上有少量的纳米晶分布。CoGdHo、CoTbHo非晶纤维均具有优异的磁热性能,两组成分的纤维在5T外加磁场变化下的最大磁熵变值分别为8.96J·kg-1·K-1和9.58J·kg-1·K-1,5T外加磁场变化下的相对制冷量分别可以达到818.05J·kg-1和610.63J·kg-1,尤为突出的是CoGdHo合金纤维,具有极宽的制冷温度区间。通过同组成分纤维与吸铸态合金磁热性能的对比,可以发现在0-5T外场变化下纤维合金的磁熵变值与相对制冷量均较铸态合金有着显著的提高。这说明了熔体抽拉法制备非晶纤维的技术对提高合金的磁热性能有着巨大的作用。对合金的相变行为分析,结合纤维归一化曲线与热磁曲线发现了 CoGdHo与CoTbHo合金纤维分别在96K与55K的居里温度处发生了铁磁态到顺磁态的二级磁相变;在温度为86K和48K的自旋冻结温度以下,表现出了自旋玻璃现象。
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