高氢压下La(Fe,Si)13 基磁制冷材料的烧结行为与磁热性能调控

Regarding the practical applications of La(Fe, Si)13-based first order transition magnetocaloric bulk materials, the key scientific issues are of reducing the thermal and magnetic hysteresis, improving the ability of heat transfer and mechanical properties. In this project, the plate-shaped La(Fe,Si)13 hydrides will be synthesized by sintering in a self-made furnace in a high-pressure H2 atmosphere from starting material powders of both crushing arc melted ingots and melt-spun ribbons. The effects of duration or temperature of sintering and H2-pressures on crystal structures, phase components, phase transition temperature, compactness, the content and occupation of hydrogen atom, magnetic entropy changes and adiabatic temperature change of hydrides will be investigated systemically. The correlation between the structure of micropore, magnetic domain and hysteresis loss, thermal conductivities and brittleness will be analyzed and revealed. The influence of element doping, especially industrial mischmetal raw materials on magnetic properties, mechanical properties and hysteresis loss will be discussed. The forming mechanism in the high H2-pressure sintering and hydrogen absorption/desorption kinetics will be described. Based on the reduction of hysteresis, AMR machine-suitable refrigerants with high magnetic refrigeration performance will be synthesized. The new method and process route will be established. The research results can provide theoretical and technological bases for the application of the La(Fe,Si)13-based hydrides.

降低一级相变La(Fe,Si)13基片状块体材料的热滞和磁滞，改善其热传导能力和机械性能，是其实用化的核心科学问题。从La(Fe, Si)13铸态粉和快淬甩带粉出发，采用高氢气压合成工艺烧结制备高致密、颗粒均匀的片状La(Fe,Si)13基氢化物材料。系统地研究不同的高氢压、烧结时间、温度对片状La(Fe,Si)13氢化物块体的晶体结构、相组成、材料致密性、氢原子含量及占位、热稳定性、磁熵变及绝热温变的影响规律。分析烧结片状块体的微观孔洞及磁畴等微结构与滞后损耗、热导及脆性的对应规律及影响机制。同时研究元素掺杂，特别是原矿混合稀土掺杂在高氢压下对材料滞后损耗、磁性及机械性能的影响规律。揭示高氢压烧结的氢化机制及吸放氢反应的动力学规律。研究结果不仅为La(Fe,Si)13基磁制冷材料的实用化提供新思路和新工艺方法，而且为这类材料的实际应用提供理论和实验科学依据。

磁制冷技术是一种具有潜在应用前景的绿色环保制冷技术。近年来，具有NaZn13型结构的LaFeSi基合金及氢化物引起了研究者的广泛关注，它具有价格低廉、磁熵变化大和不含有毒元素等优点，是目前室温制冷领域研究的重点材料。.我们采用熔炼、快淬、球磨和高氢压烧结技术制备了一系列La-Fe-Si基合金及氢化物块体材料。系统研究了不同的氢压、烧结时间、甩带速率、温度对片状La(Fe,Si)13氢化物块体的晶体结构、相组成、材料致密性、氢原子含量、热稳定性、居里温度、磁熵变、滞后损耗的影响规律。通过调控合金中Mn和Fe的比例，实现饱和氢化物的居里温度在近室温范围（285-345K）连续可调。通过调控高压烧结的压力和温度在1:13主相不分解的前提下制备高致密度（达理想块体材料的95%）氢化物。通过分析高氢压烧结过程中合金结构的相组成（1:13主相、α-Fe相及富La相）的演变行为，掌握了高气压烧结La-Fe-Si氢化物合金的最佳工艺条件。研究了球磨过程及塑性金属Al的引入使脆性La-Fe-Si材料转变为塑性材料的临界Al含量及脆性到塑性机械行为转变的机理。通过X 射线断层扫描技术定量分析了烧结合金内部的微米级孔洞的分布及尺寸，并找到了这些微孔对滞后损耗及机械性能影响的对应规律。研究了La-Fe-Si表面Ni-P镀层的形成机理、微观形貌、界面/基底耦合层的相分布，得到了Ni-P镀层的最佳工艺条件，高抗腐蚀性、高热导率镀层有望彻底解决稀土Fe基制冷合金在液体热传导介质中的抗腐蚀及低导热能力问题。随着快淬辊轮速度的增加1:13相的含量不断升高，α-Fe相含量不断减少，同时晶粒不断细化。发现30m/s的La-Fe-Si氢化物薄带样品具有小的热滞和磁滞，大的磁熵变和相对制冷能力。用中子散射La-Fe-S合金的磁相变动力学。我们发展了安全、可靠的高氢压粉末烧结技术，该技术可以实现单次烧结50个片状块体，具备制备公斤级制冷工质的能力，为La-Fe-Si合金在制冷装置上的商业化应用奠定基础。