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《上海金屬》夏雷等工作：Fe85Zr10B5 三元非晶合金的非晶形成能力及磁熱性能

放大字體  縮小字體 發(fā)布日期：2023-09-27  瀏覽次數(shù)：2848
近年來(lái)，隨著全球氣候變暖和能源消耗的不斷增加，開(kāi)發(fā)新的制冷方法取代氟利昂作為制冷劑的傳統(tǒng)氣體壓縮制冷技術(shù)尤為重要。其中，以磁熱效應(yīng)(即材料在磁化或退磁過(guò)程中由于磁矩有序/無(wú)序轉(zhuǎn)變而產(chǎn)生的熱量變化)為基礎(chǔ)的磁制冷技術(shù)具有工件結(jié)構(gòu)更緊密、效率更高、能耗更低以及對(duì)環(huán)境更無(wú)害等優(yōu)點(diǎn)，從而受到了越來(lái)越多的關(guān)注。磁制冷設(shè)備的性能在根本上取決于其制冷工質(zhì)的磁熱效應(yīng)，所以開(kāi)發(fā)具有可觀的磁熱效應(yīng)的磁制冷材料是當(dāng)今磁制冷領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，特別是在制冷技術(shù)應(yīng)用最為廣泛的室溫。

上海大學(xué)夏雷等采用單輥甩帶法成功制備了Fe85Zr10B5非晶合金，并對(duì)其非晶形成能力、磁性能和磁熱效應(yīng)進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：Fe85Zr10B5非晶合金具有較大的過(guò)冷液相區(qū)寬度γ參數(shù)和臨界截面厚度，表明其優(yōu)異的抗晶化熱穩(wěn)定性和非晶形成能力。相關(guān)研究成果于2023年9月在《上海金屬》發(fā)表。

研究人員選取試驗(yàn)原材料純度為99.95%的金屬Fe、Zr和B質(zhì)量分?jǐn)?shù)為18.38%的Fe-B合金，按照名義成分Fe85Zr10B5進(jìn)行稱量配比，質(zhì)量誤差控制在0.1mg以內(nèi)。首先在充滿高純Ar氣的高真空電弧熔煉爐中制備母合金錠，反復(fù)熔煉3次以上以保證其成分均勻、無(wú)元素偏析。然后將母合金錠鉗碎放在石英管中，并在高純Ar氣中通過(guò)感應(yīng)線圈熔化成熔融態(tài)，隨后利用氣壓差將熔體噴注到旋轉(zhuǎn)速度為50m/s的銅輥上進(jìn)行快淬，得到厚度均勻的Fe85Zr10B5合金帶材。選取表面平整、平均厚度約40μm的合金條帶進(jìn)行后續(xù)測(cè)試。使用D/MAX-2500型X射線衍射儀(X-ray diffractometer，XＲD)對(duì)條帶結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征（圖1），靶材為Cu靶、Kα輻射，掃描角度為10°～90°，掃描速率為8(°)/min，步長(zhǎng)為0.02°。通過(guò)Netzsch404C型差式掃描量熱儀(differential scanning calorimeter，DSC)測(cè)試非晶條帶的熱性能，包括玻璃轉(zhuǎn)變起始溫度(Tgonset)、晶化起始溫度(Txonset)和液相線溫度(T1)等特征值，加熱速率為20K/min。使用綜合物理性能測(cè)量系統(tǒng)(QuantumDesign，PPMS6000型)測(cè)試非晶條帶的磁性能，獲得不同溫度下的磁滯回線、0.03T磁場(chǎng)中磁化強(qiáng)度與溫度(M-T)的關(guān)系曲線和不同溫度下的等溫磁化曲線(M-H)（圖2-3）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：Fe85Zr10B5非晶合金的XＲD圖譜上表現(xiàn)出典型的非晶漫散射駝峰，證明其為非晶態(tài)結(jié)構(gòu);通過(guò)熱性能分析發(fā)現(xiàn)Fe85Zr10B5非晶合金具有不高的Trg但相當(dāng)寬的ΔTx、比較大的γ參數(shù)和Zc，表明該合金具有較好的非晶形成能力。Fe85Zr10B5非晶合金在200K時(shí)表現(xiàn)為良好的軟磁性，矯頑力幾乎為零，飽和磁化強(qiáng)度為114.1A·m2/kg，在380K時(shí)為順磁性;在200～380K之間發(fā)生了鐵磁-順磁轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)變溫度即居里溫度為325K（圖4）。Fe85Zr10B5非晶合金的Arrott曲線的斜率均為正值，表明其在Tc附近發(fā)生了二級(jí)磁相變。根據(jù)Maxwell公式求得Fe85Zr10B5非晶合金在1.5和5.0T磁場(chǎng)中的－ΔSmpeak分別為1.34和3.26J/(kg·K)，均比具有相近Tc的其他Fe基非晶合金大得多。Fe85Zr10B5非晶合金在325K附近滿足－ΔSmpeak∝H0.74關(guān)系，與Franco等的預(yù)測(cè)結(jié)果和大部分非晶合金的試驗(yàn)結(jié)果相接近，但偏離平均場(chǎng)理論的理論值。得益于二級(jí)磁相變的典型特征，F(xiàn)e85Zr10B5非晶合金展現(xiàn)出相當(dāng)寬的ΔTFWHM(在5.0T磁場(chǎng)中達(dá)到～169K)，從而使其ＲCP(～549.4J/kg)大于傳統(tǒng)的巨磁熱效應(yīng)材料。考慮到較高的－ΔSmpeak、超寬的工作溫度區(qū)間和較大的磁制冷能力，F(xiàn)e85Zr10B5非晶合金作為磁制冷工質(zhì)在室溫磁制冷領(lǐng)域具有非常大的應(yīng)用潛力。




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