《上海金属》夏雷等工作：Fe85Zr10B5 三元非晶合金的非晶形成能力及磁热性能

发布日期：2023-09-27 浏览次数：2754

近年来，随着全球气候变暖和能源消耗的不断增加，开发新的制冷方法取代氟利昂作为制冷剂的传统气体压缩制冷技术尤为重要。其中，以磁热效应(即材料在磁化或退磁过程中由于磁矩有序/无序转变而产生的热量变化)为基础的磁制冷技术具有工件结构更紧密、效率更高、能耗更低以及对环境更无害等优点，从而受到了越来越多的关注。磁制冷设备的性能在根本上取决于其制冷工质的磁热效应，所以开发具有可观的磁热效应的磁制冷材料是当今磁制冷领域的研究热点，特别是在制冷技术应用最为广泛的室温。

上海大学夏雷等采用单辊甩带法成功制备了Fe85Zr10B5非晶合金，并对其非晶形成能力、磁性能和磁热效应进行了研究。结果表明：Fe85Zr10B5非晶合金具有较大的过冷液相区宽度γ参数和临界截面厚度，表明其优异的抗晶化热稳定性和非晶形成能力。相关研究成果于2023年9月在《上海金属》发表。

研究人员选取试验原材料纯度为99.95%的金属Fe、Zr和B质量分数为18.38%的Fe-B合金，按照名义成分Fe85Zr10B5进行称量配比，质量误差控制在0.1mg以内。首先在充满高纯Ar气的高真空电弧熔炼炉中制备母合金锭，反复熔炼3次以上以保证其成分均匀、无元素偏析。然后将母合金锭钳碎放在石英管中，并在高纯Ar气中通过感应线圈熔化成熔融态，随后利用气压差将熔体喷注到旋转速度为50m/s的铜辊上进行快淬，得到厚度均匀的Fe85Zr10B5合金带材。选取表面平整、平均厚度约40μm的合金条带进行后续测试。使用D/MAX-2500型X射线衍射仪(X-ray diffractometer，XＲD)对条带结构进行表征（图1），靶材为Cu靶、Kα辐射，扫描角度为10°～90°，扫描速率为8(°)/min，步长为0.02°。通过Netzsch404C型差式扫描量热仪(differential scanning calorimeter，DSC)测试非晶条带的热性能，包括玻璃转变起始温度(Tgonset)、晶化起始温度(Txonset)和液相线温度(T1)等特征值，加热速率为20K/min。使用综合物理性能测量系统(QuantumDesign，PPMS6000型)测试非晶条带的磁性能，获得不同温度下的磁滞回线、0.03T磁场中磁化强度与温度(M-T)的关系曲线和不同温度下的等温磁化曲线(M-H)（图2-3）。实验结果表明：Fe85Zr10B5非晶合金的XＲD图谱上表现出典型的非晶漫散射驼峰，证明其为非晶态结构;通过热性能分析发现Fe85Zr10B5非晶合金具有不高的Trg但相当宽的ΔTx、比较大的γ参数和Zc，表明该合金具有较好的非晶形成能力。Fe85Zr10B5非晶合金在200K时表现为良好的软磁性，矫顽力几乎为零，饱和磁化强度为114.1A·m2/kg，在380K时为顺磁性;在200～380K之间发生了铁磁-顺磁转变，转变温度即居里温度为325K（图4）。Fe85Zr10B5非晶合金的Arrott曲线的斜率均为正值，表明其在Tc附近发生了二级磁相变。根据Maxwell公式求得Fe85Zr10B5非晶合金在1.5和5.0T磁场中的－ΔSmpeak分别为1.34和3.26J/(kg·K)，均比具有相近Tc的其他Fe基非晶合金大得多。Fe85Zr10B5非晶合金在325K附近满足－ΔSmpeak∝H0.74关系，与Franco等的预测结果和大部分非晶合金的试验结果相接近，但偏离平均场理论的理论值。得益于二级磁相变的典型特征，Fe85Zr10B5非晶合金展现出相当宽的ΔTFWHM(在5.0T磁场中达到～169K)，从而使其ＲCP(～549.4J/kg)大于传统的巨磁热效应材料。考虑到较高的－ΔSmpeak、超宽的工作温度区间和较大的磁制冷能力，Fe85Zr10B5非晶合金作为磁制冷工质在室温磁制冷领域具有非常大的应用潜力。

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