Mn-Fe基磁制冷材料的磁性、机械和热导性能研究

Mn-Fe based Mn-Fe-P-Si giant magnetocaloric material is one of the most promising materials for room-temperature magnetic cooling technology. The hysteresis could be tuned to a small value by adjusting chemical composition and/or heat-treatment. It is realized that the heat-exchange efficiency and mechanical properties are crucial and need to be improved to meet the requirement for practical application. Note that, little studies on the thermal conductivity and/or mechanical properties of Mn-Fe-P-Si magnetic cooling material have been reported before..X-ray diffractometor and VersaLab will be employed for the preliminary investigation on the crystal structure, magnetism, Curie temperature and magnetocaloric effects. Combining micro-structure analysis and results of mechanical property measurements, the relation between the mechanical properties (tensile strength, yield strength and hardness) and synthesis technology, substitution and bonding technology (epoxy, metal bonded) will be studied, which could provide solution to improving mechanical properties; Modeling the thermal conductivity of solid material, in which considering the contribution of electron-phonon interaction, contribution of main phase, impurity phase and its different distribution. The model may be a constructive reference for improving the thermal conductivity, so that the commercialization of magnetic cooling technology will be one step further.

Mn-Fe基Mn-Fe-P-Si巨磁热效应材料是室温磁制冷材料中最佳制冷材料之一。MnFePSi磁制冷材料的磁滞、热滞可通过调整化学配比和热处理工艺等调节到较小值。研究人员意识到要达到实际应用，还需要提高该材料的热交换效率和机械性能。目前，关于MnFePSi磁制冷材料的热导和机械性能的研究报道很少。.本项目用X射线衍射仪和VersaLab等初步测定样品的晶体结构、磁性、居里温度和材料的磁热效应。结合主相显微结构分析和硬度仪测得的数据，研究材料的机械性能（抗拉强度、屈服强度和硬度等）与材料制备工艺、元素替代和粘结（树脂胶、金属粘结）工艺等之间的规律，为提高材料机械性能提供可靠的实验结果；建立固体材料的热传导模型，考虑自由电子的运动和晶格振动（声子）的贡献，研究主相、杂质相及其不同分布情况对热导的贡献，为提高材料热导率提供理论依据和技术支持，以推动MnFe(P,Si)磁制冷材料早日商业化生产。

Mn-Fe基Mn-Fe-P-Si巨磁热效应材料是最具潜力的室温磁制冷材料中之一。该磁制冷材料的一些基本磁热参数如最佳工作温度、磁滞、热滞和磁熵变等都可通过调整化学配比和热处理工艺等调节优化。要达到实际应用，还需要提高该材料的热交换效率和力学性能。由此，为了更深入的理解优化磁热性能的微观机理和提高材料的实用性，本项目从常规工艺制备的四元合金入手，将不同热处理工艺、元素掺杂替代、树脂和低熔点金属粘结、热压烧结等对该系列化合物晶体/微结构、磁相变、磁热性能、电输运和力学性能的优化等做了系统的研究。.利用机械合金化和固相烧结法制备了Mn-Fe-P-Si化合物，期间尝试多种热处理工艺。对所得样品进行应力-应变测试、DSC差热、SEM-EDX扫描分析、磁相变特性、磁性及磁热性能的分析。发现适当的热处理/制备工艺有利于确保化合物的单相性、均匀性，并能够有效的提高材料的力学性能。微量Al、B掺杂有助于优化化合物单相性、磁热性能、扩展材料最佳工作温区，同时还可以用于提高化合物的电输运和力学性能。.采用树脂粘结工艺，提升Mn-Fe-P-Si化合物的力学性能和热稳定性，通过对比优化固化时间和方式、树脂胶含量和三种常用树脂粘结剂，发现适当的低温短时热处理，加入5wt.%左右的E-51（相比于E-20和E-44）型环氧树脂时粘结样品力学性能达到最优，抗压强度提升近70%，应变值增加了近170%。同时TGA测试结果表明树脂粘结样品表现出更强的抗氧化性。低熔点金属（Sn等）粘结的研究发现，适当的Sn比例可以提升力学性能近一倍，增强化合物的一级相变属性，从大幅度提高了磁热性能；热压烧结工艺在不改变化合物晶体结构的同时，缩短了的制样时间，增强了化合物的致密度，从而大幅度提高了力学性能；另外在现有材料体系的基础上还做了一些新尝试和探究，如尝试多种工艺（机械合金化、快速凝固甩带技术等）制备Mn-Fe-P-Ga化合物等。