Gu-Gd-Si-Ge復(fù)合材料制備及其換熱過(guò)程模擬.pdf

1、本文針對(duì)磁制冷材料在磁制冷機(jī)中的實(shí)際使用情況，討論了具有巨磁效應(yīng)的Gu/Gd-Si-Ge系合金在室溫磁制冷機(jī)中應(yīng)用時(shí)存在脆性和導(dǎo)熱性能差的缺陷。為了解決這一問(wèn)題，作者提出采用將Gu/Gd-Si-Ge系合金與高導(dǎo)熱性金屬?gòu)?fù)合的方法。本文介紹了將Gu/Gd-Si-Ge系合金中的Gd5Si3.2Ge0.8顆粒與高熱導(dǎo)率的Cu復(fù)合方法及結(jié)果。鑒于對(duì)顆粒狀復(fù)合材料的換熱效率計(jì)算，目前用解析法不能得到準(zhǔn)確的解，本文采用數(shù)值模擬方法分別對(duì)復(fù)合材料與G

2、dSiGe的換熱過(guò)程進(jìn)行模擬，發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料在換熱性能上優(yōu)于基體材料。 本文復(fù)合方法是利用真空擴(kuò)散焊原理進(jìn)行燒結(jié)。利用直流磁控濺射方法，在Gd5Si3.2Ge0.8試樣顆粒上鍍一層Cu膜，以增加與Cu的潤(rùn)濕性。將己鍍好Cu膜的GdsSi3.2Ge0.8顆粒與Cu粉末按一定質(zhì)量百分比均勻混和，最后放入真空燒結(jié)爐中，控制燒結(jié)工藝制成試樣。運(yùn)用掃描電鏡、X衍射和絕熱溫變測(cè)試系統(tǒng)，對(duì)試樣進(jìn)行了擴(kuò)散情況、相結(jié)構(gòu)和絕熱溫變的檢測(cè)和分析。以磁制

3、冷機(jī)工作條件為基礎(chǔ)，在一些假設(shè)條件下，采用.ANSYS軟件分別對(duì)顆粒狀復(fù)合材料和GdSiGe進(jìn)行換熱過(guò)程模擬，得到了不同幾何尺寸以及不同Cu質(zhì)量百分比時(shí)的換熱時(shí)間。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在Gd5Si3.2Ge0.8與Cu真空燒結(jié)后的試樣中，Cu原子向基體材料有一定的擴(kuò)散作用。 Cu在顆粒狀的基體材料周圍形成一種網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，起到了一定連接作用，使得顆粒狀的基體材料結(jié)合在一起，達(dá)到了改善GdsSi3.2Ge0.8脆性的目的。與純Gd5Si3

4、.2Ge0.8相比，復(fù)合材料的絕熱溫變△Tad有一定下降，但在合理誤差范圍內(nèi)，不影響使用。絕熱溫變△Tad達(dá)最大值時(shí)所對(duì)應(yīng)的Tc與GdsSi3.2Ge0.8相同。由模擬結(jié)果表明：復(fù)合材料和GdSiGe分別與換熱流體進(jìn)行熱交換的過(guò)程中，他們達(dá)到相同溫度降時(shí)，相對(duì)于同等體積GdSiGe，復(fù)合材料的換熱時(shí)間要少；小顆粒試樣的換熱時(shí)間小于大顆粒；若復(fù)合材料中基體半徑一定，復(fù)合材料相對(duì)同等體積GdSiGe的換熱時(shí)間減少百分?jǐn)?shù)p隨Cu的質(zhì)量百分比增

5、加而遞增。溫度降對(duì)復(fù)合材料的換熱時(shí)間影響很大，當(dāng)Cu的質(zhì)量百分比一定時(shí)，溫度降越小，p值越大，反之p值越小。若將此復(fù)合材料作為磁工質(zhì)用于磁制冷機(jī)中，由于換熱頻率與換熱時(shí)間成反比，機(jī)器的換熱頻率會(huì)得到提高，而磁制冷機(jī)功率與換熱頻率成正比，所以磁制冷機(jī)功率也就可以得到相應(yīng)提高。以上研究表明：采用真空擴(kuò)散焊燒結(jié)工藝使GdsSi3.2Ge0.8與Cu復(fù)合是可行的，復(fù)合材料導(dǎo)熱性能在基體材料的基礎(chǔ)上得到了改善。本研究為脆性磁制冷材料應(yīng)用于室溫磁制