Gd-Mn-M快淬合金和Gd-Si-Ge-Ni合金的结构、磁性及磁热效应

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相对晶体材料,非晶态材料具有高电阻率、低涡流损耗、良好的耐蚀性和机械性能等优异的性能。作为磁制冷材料,尤其是Gd基非晶合金,非晶态磁制冷材料具有可调的有序转变温度和大的转变温区、没有磁滞和热滞,非常适合埃里克森制冷循环。因此,非晶态材料在磁制冷领域受到广泛的关注。本论文首先在Gd-Mn合金中掺杂Ge和Si元素,通过熔体快淬法制备出合金带材,并研究其结构、磁性和磁热效应。结果表明:当未添加第三元素时,Gd-Mn合金出现了晶态相(α-Gd和GdMn2相),表明Gd-Mn二元共晶成份合金的非晶形成能力低;当添加Ge和Si时,合金均形成了典型的非晶结构,Ge和Si的添加能有效提高合金的非晶形成能力。随着温度的上升,Gd65Mn30Ge5、Gd65Mn25Ge10、Gd65Mn30Ge5和Gd65Mn25Si10非晶合金在0.05T的外加磁场中分别在212、229、221和218K附近区域发生铁磁到顺磁的二级有序转变。在0-5T的外场变化下,虽然上述三元合金的磁熵变不高,但其制冷量大,分别为625、615、625和660J/kg,十分有利于室温磁制冷的应用。本文利用Kouvel-Fisher方法研究了Gd65Mn35Gex(x=5,10)非晶带材在转变温度附近的临界行为,拟合出的临界指数通过了标度理论的验证,临界指数值说明合金的磁矩在转变区域内呈短程有序磁耦合作用,其中β值很好地阐述了磁矩的变化趋势。本文对Gd65Mn25Si10非晶合金进行了晶化处理。随着温度的上升,依次析出α-Gd相、GdMn2相和Gd5Si3相。Gd5Si3相和GdMn2相的磁转变均未被发现,同时又由于这些杂相,合金的居里温度和等温磁熵变均低于纯Gd。此外,本文还通过真空氩弧熔炼法制备并研究了Ni的添加对Gd5Si2.05Ge1.95块体合金的结构、磁热效应以及滞后效应的影响。结果表明Ni的添加在一定程度上抑制了Gd5Si2.05Ge1.95合金中单斜Gd5Si2Ge2相的形成,Gd5Si2.01Ge1.91Ni0.08的居里温度为300K,没有明显的热滞和磁滞。而Gd5Si2Ge1.9Ni0.1合金在295K发生一级磁场诱发结构相变,在301K发生二级磁转变,合金的热滞约为6-13K,最大磁损耗约为14J/kg。在0-5T磁场作用下,Gd5Si2.05-xGe1.95-xNi2x(2x=0.08,0.1)合金的等温磁熵变峰值分别为8.0Jkg-1K-1和9.1Jkg-1K-1,与纯Gd接近。低磁损、大磁熵变使得该合金成为一种有很大潜力的室温磁制冷材料。
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