新型室溫磁制冷材料MnFe(P,Si)的研究.pdf

1、Mn基Fe2P型六角結(jié)構(gòu)的MnFe(P,As)系列化合物由于具有巨磁熱效應(yīng)，且價(jià)格低廉、制備工藝簡(jiǎn)單，從而成為室溫磁制冷的最佳候選材料之一。為了避免As元素的使用，人們做了大量的As替代工作。研究結(jié)果表明，Ge元素可以完全替代As元素，并且保持化合物的巨磁熱效應(yīng)和制冷溫區(qū)，但是Ge的價(jià)格相對(duì)昂貴，不利于這一材料在室溫磁制冷方面的商業(yè)應(yīng)用。本文是在MnFe(P,As)化合物的基礎(chǔ)上，用價(jià)格相對(duì)低廉的Si元素完全替代As元素，并且通過(guò)添加一

2、些替代元素來(lái)調(diào)節(jié)化合物的磁熱性能。研究結(jié)果表明，Mn2-xFexP0.51Si0.49(x=0.8，0.85，0.9，0.95，1.0，1.1和1.2)系列化合物形成Fe2P型六角結(jié)構(gòu)，空間群為P-62m，并存在少量的(Mn，F(xiàn)e)3Si相。該系列化合物的居里溫度由x=0.8時(shí)的277K，增加到x=1.0時(shí)的358K，熱滯伴隨著Fe含量的增加而增加，當(dāng)x=0.8時(shí)化合物的熱滯最小，最小熱滯為11K。當(dāng)Fe的含量為0.85時(shí)化合物在1.5

3、T磁場(chǎng)變化下具有最大磁熵變，磁熵變的最大值為13.9J/kgK，這一值大于Gd，Gd5Ge2Si2和MnFeP0.45Si0.55在相同磁場(chǎng)變化下的最大磁熵變。MnFe(P,Si)化合物的初始效應(yīng)與內(nèi)應(yīng)力有著密切的關(guān)系。
　　 本文對(duì)低鐵的Mn2-xFexP0.4Si0.6(x=0.75，0.7，0.65，0.6，0.55和0.5)系列化合物的結(jié)構(gòu)和磁熱效應(yīng)進(jìn)行了研究。這一系列化合物具有Fe2P型六角結(jié)構(gòu)，化合物中存在少量的(F

4、e，Mn)5Si3和(Fe，Mn)5Si2相。隨著Mn含量的增加，化合物中的(Fe，Mn)5Si3相逐漸消失，(Fe，Mn)5Si2相的含量逐漸增加。化合物的居里溫度隨著Fe含量的降低而降低，并且橫跨了整個(gè)室溫區(qū)，化合物的磁熵變也隨著Fe含量的降低而降低，在Mn1.25Fe0.75P0.4Si0.6化合物中具有最大磁熵變，最大值為7.2J/kgK。這一系列化合物的熱滯在4K以下，這說(shuō)明，在低鐵的MnFe(P,Si)系列化合物中具有較低的

5、熱滯。Co原子的原子半徑要略小于Fe原子的原子半徑，通過(guò)Co原子替代Fe原子產(chǎn)生尺寸效應(yīng)和改變?cè)娱g的磁交換相互作用可以調(diào)節(jié)化合物的居里溫度。于是本論文還研究了Mn1.3Fe0.7-xCoxP0.46Si0.54(x=0，0.025，0.05和0.1)系列化合物的結(jié)構(gòu)和磁熱效應(yīng)。研究結(jié)果表明，Co的替代沒(méi)有改變化合物的Fe2P型六角結(jié)構(gòu)，在這一系列化合物中只含有微量的(Fe，Mn)3Si相?；衔锏木永餃囟入S著Co含量的增加而降低，并且

6、在室溫附近。該系列化合物的熱滯都小于4K。Mn1.3Fe0.65Co0.05P0.46Si0.54化合物在5T磁場(chǎng)變化下的最大磁熵變?yōu)?7.3J/kgK。當(dāng)x=0和0.05時(shí)，化合物在0到1.48T磁場(chǎng)變化下的最大絕熱溫變?yōu)?.2K。為了進(jìn)一步研究Fe原子對(duì)MnFe(P,Si)化合物熱滯的影響，本文研究了非化學(xué)計(jì)量比的Mn1.3Fe0.7-xP0.45Si0.55(x=0.00，0.02，0.04，0.06，0.08和0.10)系列化合

7、物的結(jié)構(gòu)和磁熱效應(yīng)。研究結(jié)果表明，x的含量為0.02時(shí)，化合物中含有少量的(Mn，F(xiàn)e)3Si相，當(dāng)x繼續(xù)增加時(shí)，化合物中出現(xiàn)少量的(Mn，F(xiàn)e)5Si3相?；衔锏木永餃囟入S著Fe含量的降低先增大后減小，在234到307K之間變化?；衔锏臒釡t隨著Fe含量的降低先減小后增加，當(dāng)x的含量為0.02和0.04時(shí)，化合物的熱滯最小，僅為1K，而當(dāng)x=0.04時(shí)化合物擁有最大磁熵變，最大值為7.9J/kgK。適當(dāng)?shù)囊苑腔瘜W(xué)計(jì)量比對(duì)形式減少M(fèi)