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室温磁制冷材料的研究是国际前沿课题,也是目前研究的热点。为了探索具有巨磁热效应的磁制冷材料,本文对GdTb、GdZnCd系合金的磁热性能进行了研究,另外建立理论模型计算了磁制冷材料的理论磁熵变,用来预测材料的磁热性能,以期望能对材料进行初步筛选。
首先研究了Tb含量对Gd<,1-x>Tb<,x>磁热性能的影响,结果表明:随着Tb含量的增加,Gd<,1-x>Tb<,x>的绝热温变的变化趋势是先减小后增大,居里温度先升高后降低;当x=0.27时,即在1.2T磁场下Gd<,0.73>Tb<,0.27>的最大绝热温变为3.5K,居里温度为279K,其绝热温变比纯度为99.9%的Gd较大,居里温度比Gd低14K,其综合磁热性能优于Gd。用磁化曲线法测试得到:在1.2T磁场下Gd<,0.73>Tb<,0.27>合金的居里温度为276K,最大等温磁熵变为3.7J/(kg.K);在2T磁场下Gd<,0.73>Tb<,0.27>合金的居里温度为276K,最大等温磁熵变为5.4J/(kg.K),最大绝热温变为5.1K。Gd<,0.73>Tb<,0.27>合金的磁熵变和绝热温变都达到了较高的数值,具有一定的研究价值。所以我们又研究了添加元素对Gd<,0.73>Tb<,0.27>合金磁热性能的影响,结果表明:Dy的添加使Gd<,0.73>Tb<,0.27>的最大绝热温变略有减小,但仍保持比纯度为99.9%的Gd较大的绝热温变,居里温度逐渐降低;少量Nd的加入可显著降低居里温度,最大绝热温变略有减小,是十分有效的制冷温区调节剂;少量Fe的加入可提高居里温度,同时又能保持较大的绝热温变;Y、Co、Ni、Cr、Zr、Ga、Al的添加使绝热温变和居里温度都有不同程度的降低。(Gd<,0.73>Tb<,0.27>)<,1-x>Fe<,x>在800℃退火10小时后,样品组织均匀化,得到平衡状态的相,磁热性能有了明显的改善。
用分子场理论建立理论模型,编写C语言程序进行理论计算,将Gd磁熵变的计算值与实验值进行比较,结果表明计算值与实验值在居里点附近较为吻合,说明可以用来预测材料的磁热性能,来对材料进行初步筛选。然后我们又计算了Gd<,0.73>Tb<,0.27>的理论磁熵变,并预测了Gd<,1-x>Tb<,x>磁热性能的发展趋势。
通过对GdZnCd系合金磁热性能的研究,发现Gd<,0.95>(Zn<,0.25>Cd<,0.75>)<,0.05>的磁热性能最好,在1.2T磁场下Gd<,0.95>(Zn<,0.25>Cd<,0.75>)<,0.05>合金的居里温度为291K,最大等温磁熵变为3.2J/(kg.K);在2T磁场下Gd<,0.95>(Zn<,0.25>Cd<,0.75>)<,0.05>合金的居里温度为291K,最大等温磁熵变为5.0J/(kg.K),最大绝热温变为5.5K。