MnCoGe基合金磁场驱动马氏体相变及磁热效应研究

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磁制冷技术是基于磁热效应的一种节能、高效、环保的新型固态制冷技术,主要依赖于磁制冷工质在加磁场和去磁场过程中的吸放热能力。因此,找到具有优异磁热效应的磁致冷工质尤为重要。近年来,人们把目光投向了磁相变合金,这种合金表现出磁热效应、磁驱形状记忆、大磁电阻等丰富的物理效应,使其成为研究的热点。由于成本低廉、制备工艺简单以及Mn离子拥有相对较高的磁矩值,Mn基磁相变合金(如MnCoGe基合金)受到人们广泛关注。迄今人们主要通过元素取代、间隙位原子掺杂、元素缺位(过量)、施加外压力等方法调控结构相变温度,获得热诱导磁-结构相变和大的室温磁热效应。然而,磁场至今不被认为是诱导变磁性马氏体相变的有效方法。本文通过设计和优化合金成分,提高合金样品中磁-结构相变对磁场的敏感程度,获得磁场驱动变磁性马氏体相变,并对合金磁热效应及其机理等进行了较深入的研究。首先,本文研究了Mn1-xCo1+xGe合金铸锭的磁场驱动变磁性马氏体相变及磁热效应。利用高真空电弧熔炼技术制备了Mn1-xCo1+xGe合金铸锭。通过调节Co/Mn的比例,增大合金的价电子浓度e/a,增加Mn原子磁矩的不稳定性,从而提高磁结构相变对磁场的敏感程度,实现磁场诱导的变磁性马氏体相变,在0-7 T的变化磁场下获得了最大的磁熵变值51.7 Jkg-1K-1和最大的制冷能力368.7 Jkg-1。其次,本文研究了Mn1-xCo1+xGe合金条带的磁场驱动变磁性马氏体相变及磁热效应。利用电弧熔炼和熔体快淬的方法制备了Mn1-xCo1+xGe条带样品。Co对Mn的取代降低了样品的结构相变温度,并在合金中实现了磁场诱导的变磁性马氏体相变。在0-7 T的变化磁场下,得到较大有效制冷能力252.7 Jkg-1,相对块体,条带样品的磁滞损耗非常小。最后,我们进一步研究了Mn1-xNixCoGe合金磁场驱动变磁性马氏体相变及磁热效应。利用高真空电弧熔炼技术制备了Mn1-xNixCoGe合金铸锭。随着Ni替代量增加,合金相变温度显著降低。当相变温度接近室温,相变中有更剧烈的磁化强度的突变。在0-7 T的外加磁场下,体系获得从205 Jkg-1到288 Jkg-1之间大的制冷能力和较小的磁滞损耗。综上所述,本论文系统地研究了MnCoGe基合金磁场驱动马氏体相变及其磁热效应,为在MnCoGe基合金中研究磁致应变、磁电阻等其他磁驱功能性质提供理论基础,具有较重要的学术价值,并为新型磁致冷材料的研发提供了实验依据。
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