【摘 要】
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Fe基非晶态磁制冷材料具有成本低廉、居里温度可调、制冷温跨较宽等优势,在室温磁制冷领域有着良好的发展前景。然而,Fe基非晶合金的形成能力差、磁热效应小等缺陷制约其进一步的发展。为了解决这些问题,本文在课题组前期研究的基础上,对Fe La(Ce)B系列合金的非晶形成能力、磁性能以及磁热性能进行研究,以期获得具有良好的非晶形成能力和磁热性能的Fe基非晶态室温磁制冷材料。前期的研究结果显示Fe85La3
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Fe基非晶态磁制冷材料具有成本低廉、居里温度可调、制冷温跨较宽等优势,在室温磁制冷领域有着良好的发展前景。然而,Fe基非晶合金的形成能力差、磁热效应小等缺陷制约其进一步的发展。为了解决这些问题,本文在课题组前期研究的基础上,对Fe La(Ce)B系列合金的非晶形成能力、磁性能以及磁热性能进行研究,以期获得具有良好的非晶形成能力和磁热性能的Fe基非晶态室温磁制冷材料。前期的研究结果显示Fe85La3B12非晶合金具有大的磁熵变峰值-ΔSmpeak,然而其居里温度Tc(472 K)较高,无法用于室温磁制冷领域,进一步研究发现Fe-La-B系列非晶合金的Tc可随合金成分的调整而改变且Fe88La3B9非晶合金的Tc降至432 K,因此将Fe88La12-xBx(x=1~11)合金体系作为研究对象。XRD测试表明Fe88La12-xBx(x=5~11)合金条带为非晶结构,选取其中的Fe88La12-xBx(x=5,6,7)非晶条带进行DSC热分析,发现随着B含量从5 at.%增加到7 at.%,γ参数和ΔTx增大,表明Fe88La12-xBx(x=5,6,7)的非晶形成能力随着B含量的增多而逐渐提高,这可能是由于B含量增多造成晶粒生长困难、非晶相更加稳定所致。通过PPMS测量Fe88La12-xBx(x=5~11)非晶合金的M-T曲线,从中找出Tc(329 K)接近于室温的Fe88La7B5非晶合金,进一步测量其等温磁化曲线并结合Maxwell关系式计算出在5 T磁场下Fe88La7B5的-ΔSmpeak为3.49 JK-1kg-1,具有较好的磁热性能。将Fe88La7B5作为基础合金,添加Ce原子制备出Fe88La7-xB5Cex(x=1,2,3,5,7)系列合金条带。XRD测试表明Fe88La7-xB5Cex(x=1,2,3,5,7)合金条带均为非晶结构,并对其进行DSC热分析,根据测得的特征温度计算出Trg、γ参数等非晶形成能力判据,得出Fe88La7-xB5Cex(x=1,2,3,5,7)的非晶形成能力均高于Fe88La7B5,这可能是由于添加Ce原子增大了合金内部的堆积密度,使得结晶驱动力减小所致,其中Fe88La2B5Ce5的非晶形成能力最好。通过PPMS测量Fe88La7-xB5Cex(x=1,2,3,5,7)系列非晶条带的磁滞回线及M-T曲线,得出该系列非晶合金在升温过程中发生了铁磁-顺磁转变,居里温度Tc随Ce含量的增加逐渐下降,这可能是由于Ce替代La造成原子间的距离减小,使得Fe原子间的3d-3d交换作用减弱所致。通过PPMS测量Fe88La7-xB5Cex(x=1,2,3,5,7)系列非晶合金的等温磁化曲线并计算出其在不同磁场下的-ΔSmpeak,发现Fe88La7-xB5Cex(x=2,3,5,7)的-ΔSmpeak均高于Fe88La7B5,这可能与Fe原子和Ce原子之间的3d-4f铁磁性耦合作用的产生有关,而Fe88La6B5Ce1的-ΔSmpeak低于Fe88La7B5,这是由于纳米团簇的影响。Fe88La7-xB5Cex(x=1,2,3,5,7)非晶体系的-ΔSmpeak与H之间符合-ΔSmpeak∝Hn的关系,经直线拟合法得到的n值与平均场理论的预测值存在一定的偏差,这可能是由于非晶合金内部存在一定的中程有序甚至纳米晶结构所致。
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