Heusler型Co-V-Ga合金的马氏体相变及弹热效应研究

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随着全球变暖,人类对制冷的需求日益增加,然而传统的气体压缩式制冷效率低、使用的制冷工质会造成环境污染。因此,寻找环境友好、高效节能的新型制冷技术迫在眉睫。近年来,以弹热效应为基础的弹热制冷因其大绝热温变和高制冷效率成为研究热点。因此,开发具有良好弹热效应的新型弹热材料具有重要的研究意义。本文选择Heusler型Co-V-Ga合金作为主要研究对象,通过电弧熔炼和定向凝固分别制备了无取向多晶Co-V-Ga合金和取向多晶Co(Fe)-V-Ga合金,研究了此系列合金的微观结构、磁性能、应力诱发马氏体相变,利用红外热成像(IR)技术与数字图像关联(DIC)技术相结合的原位非接触式表征方式对合金的弹热效应进行表征。本论文的主要研究内容有:(1)通过电弧熔炼制备了Co51.5+xV31.5-xGa17(x=0.1,0.2,0.3)多晶,研究了退火合金的马氏体相变行为及其弹热效应。研究发现,合金经历了从顺磁性奥氏体到顺磁性马氏体的马氏体相变,伴随着较大的潜热(约6~9 J g-1)。利用DIC技术结合IR原位表征了样品的应力诱导马氏体相变和绝热温度变化。对于x=0.2的样品,在301 K的测试温度下,加载过程中得到13.4 K的绝热温变,卸载过程中的温变仅为2.4 K。这种不可逆的绝热温变可归因于自冷却效应、热耗散以及价键结构。(2)通过定向凝固技术制备了具有<001>取向的Co51.6V31.4Ga17多晶合金,其相变熵变为21.0 J kg-1K-1。在室温压缩下,具有较无取向多晶更小的临界应力(109 MPa)与应力滞后(46 MPa),经历多次压缩后仍具有良好的超弹性。利用二维广角X射线衍射仪观察合金在由单轴应力诱导发生马氏体相变前后的晶体结构变化,随着应变量增加,奥氏体相的(220)主峰开始转变为马氏体相的(112)。在303 K时得到了不同应变量下的加-卸载绝热温变,在应变量为6.0%时获得了12.2 K的大绝热温变,可逆性较无取向多晶有明显提升。此外,对样品进行了10次快速循环加载-卸载,具有明显的训练效应。(3)Fe元素的掺杂可以有效增强合金奥氏体相的磁有序度,同时降低马氏体相变温度,通过成分优化,选择了磁性转变-结构相变耦合作用更强的Co48Fe5V30Ga17成分(磁化强度差为23 emu g-1),利用定向凝固技术制备了Co48Fe5V30Ga17取向多晶。此多晶合金经历了从铁磁奥氏体到弱磁马氏体的变磁性转变,相变熵变为16.5 J kg-1K-1。在室温下具有良好的超弹性;获得了11.5 K的大绝热温变,具有良好的弹热效应。
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