LaFeSi基磁制冷材料的复合成型加工

Magnetic refrigerators working near room temperature based on the magnetocaloric effect are demonstrated to be more environment friendly and higher efficient than the systems based on a gas compression-expansion process. A key point for practical application of this technology is to acquire effective magnetocaloric materials, which has attracted much attention in recent years. Among all the magnetocaloric materials, LaFeSi based compounds are most studied materials due to their larger refrigerant capacity at room temperature. However, these LaFeSi based materials have poor processing properties such as high hardness and frangibility, and it is difficult to process them into spheres or plates suitable for making magnetocaloric beds, which limits their technological applications. Here, we demonstrate a polymer resin sol-gel based approach to process LaFeSi compounds into different morphologies suitable for magnetic refrigeration applications. Magnetic properties and magnetocaloric effects of these resin reinforced LaFaSi materials will be investigated. Furthermore, these resin processed LaFeSi composite spheres or plates will be used as magnetocaloric materials in home-made magnetic refrigeration prototype.

利用材料的磁热效应发展的磁制冷技术是近年来受到国内外广泛重视的一项有重要应用前景的新技术，高效磁制冷材料及其相关问题研究是当前国际上凝聚态物理领域的热点课题之一。本项申请针对LaFeSi基磁制冷材料的硬度大、脆性大，力学性能较差，难于加工成型等问题，提出一种基于高分子溶胶凝胶技术基础上的加工成型技术，改善LaFeSi基复合磁制冷材料的力学性能，获得多种形状并适合磁制冷机应用的LaFeSi基磁制冷材料。研究高分子添加组分的不同添加比例对LaFeSi基材料磁热性能的影响，确定合适的添加比例。进一步将所制备的复合磁热材料作为工质应用于磁制冷样机，获得最佳运行参数，为LaFeSi基磁热材料在磁制冷领域的应用奠定基础。

La(Fe, Si)13系列合金具有高磁熵变、居里温度可调、低成本等优点，是一种极具应用前景的磁热材料。本课题针对这种材料脆性大，力学性能较差，难于加工成型等问题研究了一种基于高分子复合成型加工的磁制冷材料成型工艺，并系统研究了复合材料的磁热性能、机械强度、导热性能及用于磁制冷样机的制冷性能，主要研究内容包括：.1. 酚醛树脂/La(Fe, Si)13复合材料制备及性能研究.采用差示扫描热量法对酚醛树脂的固化反应进行分析，确定了恒温固化温度为150℃，最佳固化时间为10分钟，通过实验测试得出最佳压力为20 MPa。用上述工艺条件，制备了0.5 mm厚的薄片状酚醛树脂/La(Fe, Si)13复合材料。通过研究不同含量的酚醛树脂/La(Fe, Si)13基复合材料的微观形貌、表面形态、磁热性能以及热导率，发现酚醛树脂的引入并没有改变原材料的晶体结构，成型后材料的磁热性能未受影响，复合材料具有良好的热导率。.2. La(Fe, Si)13氢化物复合材料研究.La(Fe, Si)13氢化物能够调节La(Fe, Si)13材料的居里温度范围，同时还能维持材料的巨磁热效应和一级相变性质，但在温度高于150℃时不稳定，容易释放出氢，造成居里温度改变。通过实验发现用该成型工艺制备的酚醛树脂/La(Fe,Si)13氢化物的居里温度和磁热效应均未受到影响。.3. 碳/La(Fe, Si)13复合材料及石墨烯/La(Fe, Si)13复合材料研究.将酚醛树脂/La(Fe, Si)13复合材料密封于惰性气体环境中，高温下使酚醛树脂碳化。酚醛树脂高温碳化后，复合材料的机械强度显著提高，但是La(Fe, Si)13晶体结构遭受破坏，产生杂相，其磁热性能降低。随后又研究了石墨烯对于酚醛树脂粘接成型La(Fe,Si)13H复合材料磁热效应以及热物性的影响。研究发现，加入石墨烯后复合材料的晶体结构、磁熵变、居里温度几乎没有变化，而热导率却得到了提高。.4. 酚醛树脂/La(Fe, Si)13复合材料制冷效果研究.将片状酚醛树脂/La(Fe, Si)13复合材料装配到回热器中，在斯特林耦合磁制冷样机中测试复合材料的稳定性和制冷性能。结果表明，在一万次的循环后，复合材料依然保持完整性；相对于纯斯特林制冷，斯特林耦合磁制冷的制冷量提升了10.8%。