混合稀土和锶掺杂对NaZn13型合金的相结构与磁性能的影响

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NaZn13型La-Fe-Si合金由于其制备成本低廉且不含有毒元素,被认为是室温制冷区间具有应用前景的磁制冷工质之一。已有研究表明,利用其它稀土元素替代La元素可增强La-Fe-Si合金的磁热效应。本文采用混合稀土部分替代La元素,研究非正分比合金的相结构和磁热性能,并研究了名义配比为La1-xSrxFe11.5Si1.5合金的相结构与磁热性能。实验采用电弧熔炼和高温热处理后制得La0.5+xMM0.5+x(Fe1-ySiy)13和La1-xSrxFe11.5Si1.5系列合金。使用X射线衍射仪检测样品的晶体结构,使用Jade软件对检测结果进行定性分析。用扫描电子显微镜和EDS能谱观察合金的组织形貌和确定各物相中的元素含量。用振动样品磁强计测量M-T和M-H曲线,从而分析合金的磁热性能。研究结果表明,Si含量对非正分合金的成相和磁性能有显著的影响。当Si含量为1.4时,非正分合金中的1:13相含量较少。当x>0.1时,过量的稀土元素富集,合金的组织均匀性较差。当Si含量为1.8时,Si元素含量的增多使包晶反应充分进行,直到x=0.2时,合金中1:13相的含量仍保持在90 wt.%以上。混合稀土中的Ce、Pr、Nd元素有限固溶于1:13相中,削弱了Fe-Fe原子的相互作用强度,使合金的居里温度随着x值的增加而下降,当x>0.2时,居里温度基本保持不变。非计量比合金都具有明显的一级相变特征,并保持较大的等温磁熵变,在0-2 T的外磁场变化下,部分合金的最大等温磁熵变约为20 J/kg K。当添加的稀土总量为1.4时,可提高合金的磁热性能。La1-xSrxFe11.5Si1.5合金的XRD和EDS能谱均未检测到Sr元素及其化合物,因此推断采用熔炼的方式无法使低熔点的Sr进入La-Fe-Si固溶体和形成1:13相。EDS能谱结果显示,随着名义配比x的增加,1:13相中的Si含量增多,合金的居里温度升高,一级相变特征减弱,等温磁熵变减小。当x=0.2时,外磁场变化0-2 T,合金在210 K处具有的最大等温磁熵变为4.6 J/kg K。研究结果对开发实用型室温磁制冷工质具有一定的指导意义。
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