激光等离子烧结Ni-Mn-Ga/Cu磁热复合材料的大热导率和强力学性能

基于磁热效应的磁制冷技术可以更好满足能源高效消耗和转化的要求.以工程化视角来看,制备磁热复合材料是结合理想磁热性能、高热导率和良好力学性能的有效方式.在本文中,采用激光等离子烧结技术(SPS)制备了Ni-Mn-Ga/Cu磁热复合材料,并将其与利用传统方式制备的材料进行了对比.本文详细研究了Ni-Mn-Ga/Cu的磁学性质,发现其磁热效应优于热压烧结及微米/纳米化的对应材料体系.同时,该磁热复合材料具有11.2 W m^(-1)K^(-1)的优良热导率.本文使用Hasselman–Johnson模型并对其进行优化,探究了热导率与复合材料微观组织的关系.与电弧炉熔炼样品相比,不同SPS烧结温度制备的磁热复合材料的力学水平得到提高,其最小断裂应力和断裂应变分别为340 MPa和4%.此外,利用基于拓展线性Drucker–Prager模型的有限元模拟方法,阐明了Ni-Mn-Ga/Cu磁热复合材料的失效机制.以上实验和模拟结果丰富了磁热材料领域的相关知识,并促进了磁制冷技术面向实际应用的进一步发展.

重稀土HRENiGa_(2)(HRE=Dy,Ho或Er)化合物的优异低温磁热性能

RENiX_(2)化合物(其中RE为稀土元素,X为p区元素)在低温磁制冷应用中受到高度关注.它们根据元素的不同可以结晶成CeNiSi_(2)型、NdNiGa_(2)型或MgCuAl_(2)型晶体结构,并表现出不同类型的磁有序性从而影响其磁性.MgCuAl_(2)型铝化物由于具有有利的铁磁基态从而表现出比CeNiSi_(2)型硅化物和NdNiGa_(2)型镓化物更大的磁热性能.此外,RENiGa_(2)镓化物根据RE元素的不同可以结晶成NdNiGa_(2)或MgCu Al_(2)型结构.本文中,我们选择重稀土(HRE)元素来探索HRENiGa_(2)(HRE=Dy,Ho或Er)镓化物的微观结构、磁有序和磁热性能.三种化合物均以MgCuAl_(2)型晶体结构结晶,并且随着温度的升高经历了从铁磁到顺磁的二级磁相转变.DyNiGa_(2),HoNiGa_(2)和ErNiGa_(2)化合物的最大等温磁熵变(|ΔSisomax|)值分别为6.2,10.4和11.4 J kg^(-1)K^(-1)(0-5T),这与许多最近报道的低温磁制冷材料性能相当.特别地,HoNiGa_(2)和ErNiGa_(2)化合物(包括它们的复合材料)在氢气液化的温度范围内表现出优异的磁热性能.

RE_(6)Co_(2)Ga(RE=Ho,Dy or Gd)低温磁制冷材料的一级相变和二级相变

具有正交Ho_(6)Co_(2)Ga型晶体结构的富稀土金属间化合物因其具备独特的磁性能而被关注,但它们的磁有序、磁相变类型以及磁热性能尚未见系统报道.本文通过对RE_(6)Co_(2)Ga化合物中的稀土元素类型的调控,实现了材料相变类型从反铁磁(AF)到顺磁(PM)的变磁调控为铁磁(FM)到顺磁(PM)的转变.此外,通过实验观察结合密度泛函理论(DFT)计算证明了Gd_(6)Co_(2)Ga的基态为铁磁态.利用磁热效应的场依赖性关系结合Banerjee准则的判断标准研究表明,Ho_(6)Co_(2)Ga和Dy_(6)Co_(2)Ga同时具备二级相变和一级相变特征,而在Gd_(6)Co_(2)Ga中只存在二级相变.在0-5 T的磁场变化下,Ho_(6)Co_(2)Ga和Gd_(6)Co_(2)Ga的磁熵变分别在26和75 K附近达到最大值10.1和9.1J kg^(-1)K^(-1),而这两个温度分别接近于H_(2)液化和N_(2)液化温度.优异的磁热性能使得RE_(6)Co_(2)Ga体系在低温磁制冷领域具有潜在的应用前景.

微观结构调控优化高熵非晶合金磁热性能

第二代高熵合金(非等原子比)具备超越传统合金和第一代等原子比单相高熵合金性能限制的优异性能.对于磁热高熵合金,非等原子比(Gd_(36)Tb_(20)Co_(20)Al_(24))100−xFex纤维的居里温度最高达108 K,这克服了含稀土高熵合金低温(即普遍工作温区在60 K以下)的限制.x=2和3合金含有微量纳米晶,这使得合金具有宽化的居里温度分布.本文使用电流退火技术,通过对微观结构调控进一步优化x=3纤维的磁热性能.电流退火使纤维非晶基体沉淀析出纳米晶,并造成两相间成分的差异.缩放过程中使用两个参考温度,克服多相特征所造成的缩放磁热曲线的困难.两相成分差异随着电流密度的增加而增大,在一定限度内,成分差异扩大纤维工作温区,同时使相对制冷能力提升至许多传统磁热合金(无论是单非晶相还是多相(非晶和纳米晶))的2倍以上.相比于其他含稀土高熵非晶合金,本项工作显示出在温度限制(60 K)之上较好的磁热性能.这揭示了除适当的成分设计外,微观结构调控是优化高熵合金磁热性能的可行方法.