Fe2P型磁制冷化合物的结构与磁热效应研究

研制应用磁场低、磁热效应高的低成本室温区磁致冷材料是推动节能、环保的室温磁制冷技术发展的需要，也是当前国际磁致冷材料研究的热点。具有Fe2P晶体结构的MnFeP基合金有望发展成为这类新型室温区巨磁热效应材料。.本项目针对前期在MnFePM（M=Si, Ge）合金中获得室温区巨磁热效应的研究结果，拟通过第一原理计算和统计力学分析，从合金的电子结构、磁结构和磁相变的最基本层面，建立MnFePM合金巨磁热效应的理论判据。在此基础上，深入研究合金的成分和结构与其磁热性能之间的调制规律。其中重点考查磁相变过程中合金的晶体结构和磁结构的演化规律及相变的物理机制；并考查相变过程中合金的热滞、磁滞和初始效应的成因及消除方法。最终建立合金的成分、结构与其磁热性能之间的构效关系模型，全面优化MnFePM合金的磁热性能。研制出具有原创性的新型MnFePM室温磁致冷合金。

基于磁热效应的磁制冷技术是一种有希望替代传统制冷方式的新技术。它具有制冷效率高、无环境污染等诸多优点因而受到广泛的关注。寻找性能卓越、成本低廉的新型磁致冷材料一直是该领域的研究重点。具有Fe2P结构的MnFePAs（Si，Ge）合金是这类材料中综合性能较高的一种，有望成为实用性的室温区磁制冷工质材料。本文针对MnFePSi/Ge合金的磁热性能与成分、结构和制备工艺之间的依赖关系及其性能优化进行了系统研究。.首先，以名义成分为Mn1.1Fe0.9P0.76Ge0.24的合金为研究对象，采用中子衍射技术、XRD以及Rietveld结构精修方法研究了Fe2P型MnFePGe合金的晶体结构和磁结构。阐明了Mn1.1Fe0.9P0.76Ge0.24合金晶体结构类型、晶格参数、原子占位和原子磁矩排列方式。.其次，在同一体系中对比了由磁测和热测量得到的熵变数值。其结果显示，磁测得到的熵变数值即有可能大于DSC的结果，也可能比它小。这取决于相变的温度区间以及所施加的磁场大小。另外，这两者之间的差别有可能来自相变过程中结构熵和磁熵的变化时符合相反的。由于诸多研究已表明磁性测试得到的熵变数值具有争议性，尤其是在居里温度附近发生的一级相变。因此，我们认为DSC方法是一种可靠的技术用来研究相变过程中的熵变。.另外，对于MnFePSi合金中P/Si和Mn/Fe成分各自变化时其结构及磁热效应的变化进行研究。结果显示，当主族元素P和Si之间的比例变化时，合金的居里温度随着Si含量的增加逐渐升高，同时热滞及熵变都略微降低。当调节Mn/Fe比例时，随着Mn含量的增加，居里温度呈现单调降低的趋势，但体系的最大磁熵变却逐渐增大，且伴随着热滞的显著降低。最终我们得到优化的合金成分Mn1.25Fe0.75P0.46Si0.54最大磁熵变为-6.1J•kg-1•K-1，热滞为8K。.接着，对以Ge元素为主的MnFePGe体系中主族元素和过渡族金属比例变化时的规律进行了研究。结果显示，居里温度随着Mn含量的增加逐渐降低，而随着Ge含量的增加呈线性增加趋势，这与含Si体系一致。当Ge增加时，晶体的ab面逐渐增大，c轴则持续收缩。热分析与磁性测试表明，合金在室温附近发生了铁磁-顺磁的一级磁相变，而热滞则随着Ge含量的增加出现先增后减的趋势。最终优化得到Mn1.18Fe0.82P0.68Ge0.32合金成分的居里温度