含LaCe混合稀土的NaZn13型合金及其氢化物的磁热效应研究

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随着社会的进一步发展,人们对绿色环保越来越重视。磁制冷技术对比传统的气体压缩制冷,具有绿色环保、节能高效、体积小、低噪音等优点,从而引起了世界各地的关注。磁制冷技术的关键因素是选择合适的磁制冷工质,而NaZn13结构的LaFe13-xSix合金由于具有巨磁热效应、较低的热滞、居里温度可调、成本低等优点从而被世人广泛关注和研究。在LaFe13-xSix合金中,用Ce元素部分代替La元素可以增大其磁热效应,但是居里温度有所降低。为了进一步降低合金的经济成本,我们采用LaCe混合稀土部分代替La元素,获得了与使用Ce单质相似的效果。本文主要研究在含有LaCe混合稀土的合金中,用Co、Al、Mn元素部分取代Fe对合金及其氢化物的居里温度和磁热效应的影响。实验采用工业块状原料,经熔炼退火后制成La0.7(La,Ce)0.3Fe11.5-x1.5-x TxSi1.5(T=Co、Al、Mn;x=0.1、0.2、0.3、0.4、0.5)系列合金。通过X射线衍射仪、扫描电子显微镜、吸放氢实验、振动样品磁强计等对样品进行检测。所有吸氢合金都是在初始氢压约为1MPa、反应温度为270℃的条件下获得的饱和氢化物,通过XRD图谱可以看出所有合金及其氢化物都具有NaZn13型立方结构的主相。La0.7(La,Ce)0.3Fe11.5-xCoxSi1.5(x=0.1、0.2、0.3、0.4、0.5)系列合金中随着Co添加含量的增加,合金的居里温度逐渐升高,磁热效应单调降低,但合金仍具有较大的磁热效应。当添加量为从0.1增加到0.5时,合金的居里温度从194K升高到239K,当外磁场变化为3T时,合金的等温磁熵变最大值从26.4J/(kg·K)降低至14.5 J/(kg·K)。通过吸氢反应可以进一步提高合金的居里温度到室温附近,当x>0.2时,氢化物的居里温度在273K附近保持不变,且保持较大的等温磁熵变。在La0.7(La,Ce)0.3Fe11.5-x1.5-x Alx Si1.5合金中,用Al替代Fe也可达到提高居里温度的目的,但是随着Al含量的增加,合金的磁热效应降低较为明显。当添加量为0.5时,合金的居里温度可达到211K,但合金在外磁场变化为3T下的等温磁熵变最大值为6.6J/(kg·K)。吸氢后的合金的居里温度也有所提升,x=0.1的合金具有最高的居里温度273K和最大的磁热效应17.3 J/(kg·K)(外磁场变化为3T)。La0.7(La,Ce)0.3Fe11.5-xMnxSi1.5(x=0.1、0.2、0.3、0.4、0.5)系列合金中随着Mn添加量的增多,合金的居里温度明显降低,但合金保持着较强的一级巡游电子变磁相变和巨磁热效应的特性。当添加量x从0.1增加到0.4时,合金的居里温度降在168K至88K之间可调。吸氢后合金的居里温度提高到258K-154K范围内。对于x=0.1合金,当外磁场为3T时,其吸氢前与吸氢后的等温磁熵变最大值基本保持不变,分别为19.8J/(kg·K)和19.1J/(kg·K)。综上所述,本文系统地研究了含有LaCe混合稀土的La0.7(La,Ce)0.3Fe11.5-xTxSi1.5(T=Co、Al、Mn;x=0.1、0.2、0.3、0.4、0.5)系列合金及其氢化物的磁性与磁热效应。研究结果表明,通过元素的掺杂和吸氢反应可以将该系列合金的居里温度调节到室温附近,并使具有较大的磁热效应。研究结果对开发实用型室温磁制冷工质具有一定的指导意义。
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