【摘 要】
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本文采用熔体纺丝法成功地制备了La-Fe-Si微米级合金纤维,利用微米级纤维材料的特性解决了La-Fe-Si大块合金热处理时间长,滞后大,机械加工性差,传热性能差的问题,提高了La-Fe-Si合金在磁制冷技术中的实用性。本文在建立磁性纤维物理模型的基础上应用Matlab建立了一维平行纤维无源蓄热器模型,通过计算平行纤维结构在工作时产生的粘滞阻力、热交换性能和轴向传导,初步优化了纤维的几何参数,后续
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本文采用熔体纺丝法成功地制备了La-Fe-Si微米级合金纤维,利用微米级纤维材料的特性解决了La-Fe-Si大块合金热处理时间长,滞后大,机械加工性差,传热性能差的问题,提高了La-Fe-Si合金在磁制冷技术中的实用性。本文在建立磁性纤维物理模型的基础上应用Matlab建立了一维平行纤维无源蓄热器模型,通过计算平行纤维结构在工作时产生的粘滞阻力、热交换性能和轴向传导,初步优化了纤维的几何参数,后续通过一系列工艺参数优化,制备出了多批具有优化几何参数的La-Fe-Si纤维。并通过热处理调控La-Fe-Si纤维的微观组织和磁相变行为,最终使纤维的磁热性能满足平行纤维活性蓄热器的要求。同时也通过在Matlab中建立一维平行纤维活性蓄热器模型,对满足性能要求的La-Fe-Si纤维在蓄热器中产生的制冷能力进行优化。模拟结果表明,La-Fe-Si纤维的直径在0.03mm-0.05mm范围内时平行纤维结构同时具有高热交换能力和低粘滞阻力。因此,本文应用熔体纺丝法制备了多批此直径范围内的纤维,而纤维的制备工艺参数与纤维的成分有关,制备低Si含量纤维时,母合金铸锭无需均匀化热处理,当加热功率～21k W、钼轮转速～1600r/min、进给速率～50-80r/min时可得直径0.030±0.005mm、长度4.5±0.5cm的纤维;制备高Si含量纤维时,母合金铸锭需要进行均匀化热处理,当加热功率～22k W、钼轮转速～1700r/min、进给速率～30-50r/min时可得直径0.050±0.005mm、长度15.0±5.0cm的纤维。铸态LaFe11.7Si1.3纤维晶粒内存在交替分布的α-Fe相和富La相,以及少量La（Fe,Si）13相,三种相尺寸都为纳米级。经过调控热处理工艺,纤维在1353K下的热处理时间由数周被缩短至5min,交替分布的纳米富La相和α-Fe相可以提供大量界面,同时纳米La（Fe,Si）13相也可以提供形核位点,促使包晶反应在5min内快速完成。同理,LaFe11.2Si1.8纤维在1373K下的热处理时间被缩短至20min,热处理过程中包晶反应会使La（Fe,Si）13相含量迅速增加,但是由于铸态纤维中存在大量La（Fe,Si）13相,因而需要将热处理时间略微延长至20min以促进La（Fe,Si）13相的成分均匀化。在1353K下保温5min后的LaFe11.7Si1.3纤维一级相变特征较弱、磁滞后几乎为零,经朗道理论计算表明,纤维在一级相变过程中所跨越的能量势垒仅为1.8k J/mol,远小于大块和薄带合金,因而LaFe11.7Si1.3纤维的一级相变特征不明显。在1373K下保温20min的LaFe11.2Si1.8纤维表现出二级相变特征,纤维在热处理过程中的组织变化存在两个主要阶段:La（Fe,Si）13相含量增加和La（Fe,Si）13相成分均匀化。磁场为2T时,LaFe11.7Si1.3纤维在1353K下保温5min后磁熵变最大值～-9.0J/kg·K,半高宽～13K,理论制冷能力～97.9J/kg,LaFe11.2Si1.8纤维在1373K下保温20min后磁熵变最大值～-6.2J/kg·K,半高宽～33K,理论制冷能力～154.0J/kg,经模拟验证,两种热处理态纤维的磁热性能均符合平行纤维活性蓄热器的性能要求。最后,在Matlab中建立一维平行纤维活性蓄热器模型,利用此模型对这两种纤维的制冷性能进行优化。研究发现平行纤维结构中纤维的排列方式和工作液体的流向对蓄热器的制冷性能有很大影响,纤维按正方形阵列堆叠时产生的粘滞耗散低于按三角形阵列堆叠时产生的值,但是其热交换能力却弱于三角形阵列,且两种阵列均在平行流中工作时的粘滞耗散更低,同时热交换能力最强,因而能够产生最高的制冷性能。另外,两种蓄热器的制冷性能也受工作温度区间、工作频率和冷热端温度等工作条件和蓄热器形状的影响。当工作频率为2Hz,工作温度区间为10K时,两种平行纤维结构在活性蓄热器中的优化制冷性能为:LaFe11.7Si1.3平行纤维蓄热器的最高制冷功率～126.35W,性能系数～4.57;LaFe11.2Si1.8平行纤维蓄热器的最高制冷功率～120.88W,性能系数～2.17。
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