论文部分内容阅读
制冷技术关系国计民生,在小到生活家电,大到航空航天、精密仪器及国防器件等诸多领域发挥着重要作用。基于磁热效应的磁制冷技术具有绿色环保可持续、制冷效率高、机械振动和噪音小等优点,有望替代传统气体压缩制冷技术。作为磁制冷技术的核心,探索制备性能优异的磁制冷材料具有重要的科学意义和社会价值。稀土基非晶磁制冷材料因其优异的磁热性能和特殊的电子结构引起了科研工作者的广泛关注。有限的非晶形成能力极大制约了稀土基金属玻璃的深入研究和潜在应用。金属玻璃由高温熔体快速冷却得到,冷却过程中液体的结构演变与动力学行为对其微观结构、非晶形成能力及物理特性具有重要影响。因此,深入研究玻璃形成液体的动力学行为有助于认识玻璃本质,有效调控非晶形成能力。本文系统研究了Fe元素添加、稀土元素替换以及微合金化Si元素对Gd基金属玻璃热稳定性、磁热性能、非晶形成能力与微观结构的影响。通过研究金属玻璃形成液体的异常动力学行为探索微量Si元素添加显著提高非晶形成能力的潜在机理。利用Fe元素部分替代Co,研究Fe元素添加对Gd55Co20Al24Si1非晶合金热稳定性、非晶形成能力、及磁热性能的影响。发现少量Fe元素添加有利于提高非晶形成能力,制备得到临界直径为6 mm的Gd55Co19Al24Si1Fe1和Gd55Co18Al24Si1Fe2块体金属玻璃。此外,Fe元素添加可以明显提高居里温度,拓宽磁转变温度区间,提高非晶合金的磁制冷能力。Gd55Co15Al24Si1Fe5金属玻璃居里温度达126 K,比原始非晶合金提高了约25%,在5 T外加磁场变化下的最大磁熵变半高宽为118 K,磁制冷能力为857 Jkg-1。通过不同稀土元素替换,研究稀土元素对Gd25RE25Co25Al25（RE=Tb,Dy,Ho）高熵非晶合金磁热性能与类自旋玻璃行为的影响。发现该四元高熵非晶合金体系表现出优异的磁热效应,居里温度随稀土元素变化可调,在5 T外加磁场变化下,Gd25Ho25Co25Al25金属玻璃最大磁熵变为9.78 Jkg-1K-1,磁制冷能力为626 Jkg-1。在居里温度以下,由于较强随机磁各向异性和交换受挫的影响,含不同稀土元素高熵非晶合金均表现出明显的类自旋玻璃行为,交流特性结果表明系统弛豫时间在冻结温度附近存在发散行为,随RE由Tb到Ho元素变化,非晶合金随机磁各向异性逐渐减小。通过微合金化法研究微量Si元素添加对Gd55Co20Al25金属玻璃磁热性能、非晶形成能力、液体动力学行为以及微观结构的影响。0.5 at.%的Si元素添加将非晶合金临界直径从2 mm提高到7 mm且不损害其磁热性能。通过研究微量Si元素添加前后金属玻璃过热熔体粘度变化与过冷液体动力学行为,发现该非晶合金体系在过热熔体与过冷液体中分别存在液液相变和强脆转变现象,微量Si元素添加可以明显降低过热熔体液液相变强度、增大过冷液体强脆转变幅度,影响金属玻璃液体的动力学行为演变过程,促进过冷液体短程序与中程序的形成,从而有效抑制晶化,明显提高非晶形成能力。为降低稀土基非晶磁制冷材料的磁滞损耗、提高磁热性能,对Gd20Tb18Dy18Co20Al24高熵非晶合金进行吸氢处理。结果表明,氢的引入可以有效减小非晶合金随机磁各向异性从而降低矫顽力与剩磁。同时,吸氢处理可以大幅提高最大磁熵变值,降低居里温度。Gd20Tb18Dy18Co20Al24H130.65非晶合金在8 K处5 T外加磁场变化下最大磁熵变值高达13.6 J kg-1K-1,有望作为低温磁制冷工质应用。本文的研究结果对进一步认识稀土基金属玻璃的磁结构,深入探究金属玻璃液体异常动力学转变与非晶形成能力的内在关联,有效调控非晶合金磁热性能与非晶形成能力,从而探索兼具大非晶形成能力和优异磁热性能的稀土基金属玻璃具有重要指导意义。