La(Fe,Si)13合金的成相机制与磁性能研究

作     者：任伟 

作者单位：内蒙古科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王高峰

授予年度：2022年

学科分类：07[理学] 08[工学] 070205[理学-凝聚态物理] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0702[理学-物理学] 

主      题：La(Fe,Si)13合金 放电等离子烧结 成相机制 居里温度 磁热效应 

摘      要：为了阻止全球变暖,我国在联合国大会上提出,2030年碳排放达峰,2060年净碳排放归零,也就是所谓的“碳中和。作为世界工厂、全球碳排放量最大的国家,“碳中和的承诺意味着我国即将迎来一场巨大的能源革命。磁制冷作为一种新的制冷技术,具有无臭氧层损失、无温室效应、节能高效、绿色环保等优点,是制冷领域的一个重要研究课题。同时磁制冷技术也符合我国提出的“碳中和的要求。研发可实用的磁制冷材料对加快磁制冷技术的商业化进程具有重要意义。其中具有Na Zn型立方结构的La(Fe,Si)系列合金由于其原材料来源广泛、价格低廉、无毒无害且具有巨磁热效应而受到广泛关注。本文采用具有加热均匀、升温速度快、烧结温度低、烧结时间短等优点的放电等离子烧结技术制备La(Fe,Si)系列合金,研究烧结温度、球磨时间以及非化学计量比对材料的成相机制与磁性能的影响规律。此外,本文还通过球磨、对材料预压成型后结合常规退火热处理后,研究不同Si含量对合金的成相机制与磁性能的影响。利用放电等离子烧结技术在不同烧结温度下制备LaFeSi系列合金,研究结果表明,不同烧结温度的LaFeSi系列合金均由1:13相、α-Fe相以及少量的1:1:1相组成。在一定温度范围内,烧结温度越高,越有利于1:13相的形成,但当温度达到一定值时,合金的包晶反应速度减缓。当烧结温度为1223 K和1273 K时,以LaFe Si为前驱体比以LaSi为前驱体更容易发生包晶反应生成1:13相,但合金中α-Fe相存在富集现象。合金中1:13相的Si元素含量较高,使合金在居里温度附近的相变类型为二级相变。烧结温度越高,该系列合金的最大等温磁熵变值越大。基于以上研究发现合金中的α-Fe相存在富集现象,考虑粉末的颗粒尺寸对合金的成相机制与磁性能的影响。研究不同球磨时间条件下制备的LaFeSi系列合金的微结构与磁性能。研究结果发现,不同球磨时间的LaFeSi系列合金均由1:13相、α-Fe相以及少量的1:1:1相组成。当球磨时间为1 h时,合金中α-Fe相的含量较高,且富集现象较为严重。随着球磨时间的增加,合金中1:13相的含量逐渐增加,且合金中α-Fe相的富集现象明显减弱。该系列合金的相变类型为二级相变,球磨时间为20 h的合金的居里温度为220 K,当磁场变化为0-3 T时,合金的最大等温磁熵变值为4.3 J·kg·K。为了进一步提高合金中1:13相含量,设计非化学计量LaFeSi系列合金,并对其成相机制与磁性能进行研究。当x=1.0时,合金主要由1:13相与α-Fe相组成,1:13相的含量为78.7 wt.%。当x=2.0时,合金中1:13相含量达到峰值为89.2 wt.%。当x=3.0和4.0时,由于Fe元素含量的减少,La元素和Si元素超出反应所需,在合金中以1:1:1相的形式存在。说明在该系列合金中,适量的减少Fe含量有助于合金发生包晶反应。此外,合金的最大等温磁熵变值呈现先增大后减小的趋势,当磁场变化为0-3 T时,x=2.0合金最大等温磁熵变值为5.07 J·kg·K。此外,我们还将合金粉末预压成型后,采用常规退火热处理的方式制备LaFeSi系列合金,研究LaFeSi(x=0、0.1、0.2、0.3、0.4)系列合金的成相机制与磁性能。研究发现,随着x值的增大,合金的晶格常数和晶胞体积逐渐减小,居里温度也逐渐增大。随着Si含量的增加,合金的最大等温磁熵变逐渐减小。综上所述,本文系统地研究了烧结温度、球磨时间等工艺条件以及非化学计量比和不同Si含量对La(Fe,Si)合金的成相机制与磁性能的影响规律。研究结果对于加快磁制冷技术的应用具有科学指导意义。