MnFe(P,Si)系一级相变材料的微结构、磁热效应和热磁发电及应用基础研究

一级相变巨磁热效应材料Fe2P型MnFe(P,Si)化合物是室温磁制冷和热磁发电的最佳候选材料之一。本工作采用高能球磨与固相反应方法和等离子放电烧结技术，可控性制备单相性MnFe(P,Si)系列化合物。用SQUID等设备测定样品的磁性数据，研究材料的磁热效应，并通过磁制冷样机测试其磁制冷性能。用同步辐射XAFS技术研究该系化合物中原子局域结构，确定配位原子种类和近邻原子间距等，并结合磁性测量结果研究原子占位及原子间距对磁性和相变的影响。用泛函密度理论第一性原理计算该系化合物的电子结构，从而确定原子磁性及来源、原子占位和电子态的变化与磁性和相变的关系。自制热磁发电样机，研究该系材料的热能转化为电能特性。理论上得到微观结构与物理性能的关联，深入分析磁性与相变的相互关联物理机理。应用上为磁制冷提供热滞小、制冷功率大的实用型磁制冷工质；为热磁发电提供相转变陡峭、磁矩大、转变温度适宜的工质材料。

当今世界迫切需要节能环保型制冷技术和新型能源技术。目前，室温磁制冷技术以其高效，节能，环保等优点引起广泛关注。Fe2P型MnFe(P,Si)化合物以其优异的磁制冷性能和廉价的成本等特点，有望成为室温磁制冷材料最佳候选材料之一。热磁发电是把热能直接转换为电能的一种发电技术，可用于余热发电。.本项目主要采用高能球磨固相反应方法制备单相性 MnFe(P,Si)系列化合物。用磁性测量等测定样品的磁性数据，研究材料的磁热效应。用自制磁热效应直接测量仪测定样品的直接温变。将磁热材料Mn1.28Fe0.67P0.48Si0.54作为样品进行测试，实验结果与文献值相比基本一致。通过重复测试验证了测量仪的可靠性。该装置因其结构简单、便于操作、测量用时短、成本低廉等优点，为磁热效应的研究提供了补充测量手段。.用同步辐射XAFS技术获取了样品的微结构信息。分析了MnFe(P,Si)系列化合物Fe-K边和Mn-K边的X射线吸收精细结构光谱，得出结论：在MnFe(P,Si)系列化合物中Fe原子主要占据3f晶位，Mn原子占据3g晶位。在3f层上Fe原子与Mn/Fe原子构成三角形平面，该三角形大小在铁磁与非铁磁结构之间有着巨大的变化。这个变化可能来自于磁弹耦合，而磁弹耦合本身在该样品的一级相变当中起着非常重要的作用。.我们设计组装了永磁体磁场热磁发电演示装置, 成功演示了热流引起材料的相变而产生的电流现象, 并研究了固定磁场中热磁转变产生的电流随热源温度、样品质量、线圈匝数等的变化. 研究结果说明Mn1.2Fe0.8P0.4Si0.6化合物具有很好的热磁发电性能, 实现了简易装置下产生每克毫安电流。