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磁制冷技术是一种高新制冷技术与方法,近年来一直受到国内外的关注。磁制冷与传统压缩制冷相比具有效率高、污染少、结构紧凑、体积小等特点。如能实现室温磁制冷,将会产生巨大的社会效益与经济效益。
对于磁制冷材料Mn2-xFexP0.76Ge0.24,其等温磁性转变为一级相变,吸放热量大,且其居里温度随着Mn和Fe比例的变化而变化,能够实现对其温度的控制。同时Mn2-xFexP0.76Ge0.24具有原料成本低、无毒无害等诸多优点,具有良好的应用前景。然而这种材料目前多通过长达上百小时的球磨、扩散烧结和退火处理的方法制备,从而严重的影响了材料的实用化发展。据此,本论文研究了采用短时、高效的机械球磨和放电等离子烧结技术(SPS)合成Mn2-xFexP0.76Ge0.24化合物的新方法,并利用中子衍射等手段对其结构与性能进行了研究。
首先,采用机械合金化和放电等离子烧结的方法,合成了成分为Mn1.1Fe0.9P0.76Ge0.24和Mn1.2Fe0.8P0.76Ge0.24的合金,系统研究了球磨和SPS烧结工艺对合金的组织及结构的影响。通过优化工艺获得了具有较好单相性的MnFePGe合金。研究发现其相变都属于一级相变。Mn1.1Fe0.9P0.76Ge0.24和Mn1.2Fe0.8P0.76Ge0.24在升温过程中的居里温度分别为278K和262.5K,降温过程中的居里温度分别为266.5K和258.5K,材料的居里温度随着Mn含量的增加而降低,并且存在热滞后,前者为11.6K,后者为4K。通过热力学公式计算出其温度诱导过程中的熵变分别为33J/kg·K和24.5J/kg.K。通过测量不同条件下两种样品的磁化曲线,得到其最大磁熵变为50J/kg·K和25J/kg·K左右。
采用中子衍射对Mn1.1Fe0.9P0.76Ge0.24和Mn1.2Fe0.8P0.76Ge0.24结构及其与性能的关系进行了深入的研究。结果表明,温度和外加磁场变化都会诱发材料顺磁相与铁磁相之间的转变。随着温度的降低,材料中的顺磁相逐渐转变为铁磁相,当温度下降到一定程度的时候,材料的相转变变得非常缓慢;同样,随着外加磁场的增加,材料中的顺磁相逐渐转变为铁磁相,当磁场增加到一定程度时,材料的相转变也会变得非常困难,研究发现这主要是由于晶粒较小的顺磁相阻碍了材料的相转变。通过磁场诱导过程的分析,Mn1.1Fe0.9P0.76Ge0.24相转变85％左右需要至少4特斯拉的磁场,而Mn1.2Fe0.8P0.76Ge0.24仅需要不到2特斯拉就能完成相应的转变,在这种情况下,普通的永磁磁场就能满足Mn1.2Fe0.8P0.76Ge0.24材料的转变而实现制冷,从而使MnFePGe材料的应用更加现实。