NaZn13型混合稀土-Fe-Si基合金的吸氢行为及相关磁性能研究

Hydrogenated R(Fe,Si)13 alloys (R stands for mischmetal) have been paied much attention due to the giant magnetocaloric effect near room temperature. The behavior of hydrogen absorption and the influences of mischmetal on magnetic properties and magnetocaloric effect in the R(Fe,Si)13 alloys are greatly important for the achievement of room-temperature magnetic refrigeration. In the present project, on the basis of the hydrogen absorption kinetics in hydrogen storage alloys, the effects of external conditions (such as annealing temperature, heating time and hydrogen pressure) and intrinsic factors (such as content of mischmetal, substitution of transition metal, crystalline size) on the rate and quantity of the hydrogenating reaction in the alloys will be investigated experimentally and theoretically, from which, the mechanism of the hydrogenating reaction will be revealed. The combined interactions of the mischmetal and hydrogen on the magnetic properties, magnetocaloric effect and magnetic refrigeration capacity are studied by means of magnetization, heat capacity and direct measurements in the R(Fe,Si)13 alloys and their hydrides. The implementation of this project will offer scientific guidance for developing applicable magnetic refrigerants in room temperature range, and provide simultaneously a new way for the efficient utilization of the rare-earth resource in China.

吸氢后的R(Fe,Si)13合金（R为混合稀土）因其在室温附近具有巨磁热效应而备受关注，研究R(Fe,Si)13合金的吸氢行为以及混合稀土对合金的磁性和磁热效应的影响规律对于实现室温磁制冷技术具有重要的科学指导意义。本项目以贮氢合金的吸氢反应动力学为基础，理论与实验相结合，系统地研究外部条件（包括热处理温度和时间、氢气压力等）和内在因素（包括混合稀土含量、过渡族元素替代、晶粒尺寸等）对合金吸氢速率和吸氢量的影响规律，进而揭示R(Fe,Si)13合金的吸氢动力学机制；采用磁化强度测量、比热测量和直接测量等多种方法，研究R(Fe,Si)13合金及其氢化物的磁性能、磁热效应和磁制冷能力，阐明混合稀土和氢对合金性能的联合作用规律。本项目的实施将为开发实用型室温磁制冷工质提供重要的科学依据，同时也为我国稀土资源的高效利用提供新途径。

磁制冷技术是一种绿色、节能、高效的新型制冷技术，有望替代传统的气体压缩/膨胀制冷方式。研究和开发实用型磁制冷材料是实现室温磁制冷技术的关键问题之一。NaZn13型La-Fe-Si系列合金由于具有巨磁热效应特点而备受关注。本项目研究了LaCe混合稀土、非计量比以及Co/Al/Mn对La-Fe-Si合金及其氢化物的结构、磁性能和磁热效应等的影响；研究了不同的反应温度、氢气压力、样品颗粒尺寸对La-Fe-Si合金吸氢动力学和吸氢量的影响行为及其反应机制。研究结果表明：随着混合稀土含量的增加，合金的磁热效应增大，相变温度降低；在La-Fe-Si合金中适量地添加过量的La，可以提高合金的磁热效应，并使合金的相变温度基本保持不变；在含有LaCe混合稀土的La0.7(La,Ce)0.3Fe11.5-xMxSi1.5（M=Co、Al、Mn）合金中，随着Co或Al含量的增加，合金的相变温度升高，磁热效应降低，随着Mn含量的增加，合金的相变温度降低，磁热效应增强；所有上述合金都具有良好的吸氢动力学，吸氢后合金的相变温度升高到室温附近；较大的氢气压力有利于提高合金的吸氢动力学和吸氢量，合金的吸氢量随着反应温度的升高呈现先增加后降低的变化关系，合金的吸氢动力学机制以扩散过程为主；合金的颗粒粒径大小影响合金的吸氢反应机制，粒径尺寸较小时，合金的吸氢反应以扩散过程为主，粒径较大时，合金的吸氢反应可用形核与长大和扩散两个反应机理函数说明。此外，我们还研究了B、Co或不同稀土元素对Fe基非晶材料的磁热效应的影响，发现非晶合金的相变温度在室温附近可调，且具有较大的磁制冷能力。本项目研究结果为开发实用型室温磁制冷材料积累了相关数据并为探索新型材料奠定基础。