室温磁致冷材料的研究现状及发展趋势

系统总结了室温磁致冷材料的研究现状、存在的问题以及在磁制冷机中的应用情况.对磁热效应的物理本质、影响因素、改善措施进行了归纳.结合磁致冷材料及其在样机中应用的最新进展,预测了室温磁致冷材料的发展趋势.     

室温磁制冷材料的研究现状及发展前景

制冷业耗能占社会总耗能的15%以上。目前普遍使用的气体压缩制冷技术的卡诺循环效率最高仅为25%左右,而且气体压缩制冷中使用的气体制冷剂会破坏大气臭氧层并引起温室效应。探求无污染、绿色环保的制冷材料和研发新型低能耗、高效率的制冷技术是当今世界需要迫切解决的问题。磁制冷技术具有绿色环保、高效节能、稳定可靠的特点,近些年来已经引起世界范围的广泛关注。具有磁热效应的材料是磁制冷技术的关键。重点综述了当今室温磁热材料的研究现状。为了使该项技术走向工业化和实用化的道路,提出改进并优化磁制冷工质的性能是未来的研究方向。     

低磁场条件下Gd5（Si1-xGex）4（x=0，0.2，0.3）合金磁热效应研究

用高频真空悬浮炉在氩气保护下制备了Gd5（Si1-xGex）4（x=0，0.2，0.3）系列样品，用直接测量方法测定了在永磁体提供的低磁场H=1.3T）条件下样品的磁热效应曲线（△Tad-T）．结果表明，用元素Ge分别替代Gd5Si4合金中的Si原子，不能增强合金的磁热效应，但可在333～300K范围改变材料的居里温度，且磁热效应峰值范围变宽．     

室温磁制冷材料的成型工艺研究

由于室温磁制冷材料在磁制冷机工作中存在许多问题,致使磁制冷机工作频率不高,制冷功率低。针对不同形状、不同种类的磁制冷材料本身导热系数低和金属间化合物的特点,分析比较了几种成型工艺方法,提出了一种新的成型工艺方案。     

低磁场条件下（Gd1-xREx）5Si4（RE：Dy,Tb；x=0、0.1、0.125、0.15）合金磁热效应研究术

用高频真空悬浮炉在氲气保护下制备了（Gd1-xREx）5Si4（RE：Dy,Tb；x=0、0.1、0.125、0.15）和（Gd1-xREx）5Si4（x=0.1、0.125）合金样品，用直接测量方法测定了在永磁体提供的低磁场（H=1．3T）条件下样品的磁热效应曲线（△Tab-T）；结果表明，用稀土金属Dy、Tb分别部分替代Gd5Si4合金中的Gd原子，不能增强合金的磁热效应，但可在333～300K范围改变材料的居里温度，且磁热效应峰值范围变宽．     

Cu的加入对Fe3Si材料在NaCl溶液中的腐蚀行为的影响

以原子比为3：1的Fe粉和Si粉球磨20h后，将球磨得到的Fe（si）粉末和混合了质量分数为5％Cu的Fe（Si）-Cu粉末，在1O00±30℃，20MPa的压力下通过热压烧结的方法制备了Fe3Si和Fe3Si--Cu复合材料。文章通过浸泡腐蚀和电化学腐蚀两种方法讨论了Fe3Si和Fe3Si--5％Cu复合材料在NaCl溶液中的腐蚀行为。实验表明，两种材料在NaCl溶液中的腐蚀过程都是活化过程，Fe3Si在不同摩尔浓度的NaCl溶液中的腐蚀性能要比Fe3Si-5％Cu要好，浸泡腐蚀速率要小，自腐蚀电流也小。     

金属材料在铝液中腐蚀行为的研究

为获得铝液腐蚀工况下金属材料的选用原则,运用静态铝液浸没腐蚀试验,研究了QT350、HT300、H13、Cr13、Ta、Mo在铝液中的腐蚀行为.结果表明:所选金属材料在试验条件下均与铝液反应生成金属间化合物层;所选金属材料在铝液中的平均腐蚀深度由高到低依次为QT350、H13、Cr13、HT300、Ta、Mo,难熔金属Ta、Mo具有优异的耐铝液腐蚀性能;QT350、HT300、H13、Cr13腐蚀后表面形成大量点状蚀坑,其在铝液中的腐蚀为非均匀腐蚀;Ta、Mo腐蚀后表面平整,其在铝液中的腐蚀为均匀腐蚀.     

20～100kHz铁基微晶电感材料Fe—Co—Si—B—C的研究

研究了合金元素对恒导磁微晶合金 Fe_(71)Co_7Si_9B_(13)的高频损耗及恒导磁特性的影响。发现碳(C)的加入能大大降低该合金的高频损耗。随着 C 含量的增加,高频损耗 P_(2/20k)单调下降,当 C 含量大于4(at)%后,P_(2/20k)不再随着 C 含量的增加而降低。该合金的等温 P_(2/20k～t_a)曲线(t_a 为保温时间)呈“U”型,属典型的微晶化效应降低损耗方式。x 射线衍射结果证明该合金的组织为 bcc 结构的α-Fe。认为 C 对损耗的影响机制不同于普通晶态合金中的李希特(Richter)效应。C 是易偏析元素,在微晶化热处理时,碳的偏析为细小α-Fe 的形成,提供了大量晶核,使合金的组织细化,从而细化了磁畴,降低了异常涡流损耗,使高频损耗降低并具有较高的动态导磁率。横向磁场热处理后该合金可成为优良的恒导磁电感材料     

海水中Zn（OH）2对镀锌钢腐蚀行为的影响

将镀锌钢试样浸入饱和Zn(OH)2海水溶液中以模拟腐蚀环境,采用失重法、扫描电镜(SEM)、极化曲线和交流阻抗谱研究了海水中Zn(OH)2对镀锌钢腐蚀行为的影响。结果表明:电极表面上由于腐蚀产物Zn(OH)2的吸附,镀锌层的膜结构遭到破坏,随着浸泡时间的延长,镀锌钢表面发生腐蚀反应时的电荷转移电阻逐渐减小,自腐蚀电流密度逐渐增大,腐蚀产物Zn(OH)2的吸附诱导了镀锌层表面点蚀的发生。     

风电塔筒材料Q345D合金钢在模拟海洋大气环境下的腐蚀规律研究

为准确了解塔筒材料在酸性大气环境下的腐蚀规律并为海上风电塔筒结构防腐优化提供理论依据,利用干湿酸性盐雾试验模拟沿海大气环境,对Q345D合金钢腐蚀24,48,72,96,168,240,360,480 h,研究塔筒材料Q345D钢在该环境下的腐蚀规律.利用X射线衍射仪分析(XRD)、扫描电镜观察(SEM)、通过测定腐蚀失重率、电化学测试等方法对不同腐蚀时间后的Q345D试样进行分析.结果 表明:Q345D的腐蚀动力学曲线遵循幂函数规律,随着腐蚀时间的增加,Q345D钢的腐蚀速率呈增长性变化趋势,腐蚀前168 h内,腐蚀速率较快,168 ～ 240h时,腐蚀速率减缓,腐蚀320 h后,速率又开始缓慢增加;Q345D在沿海大气环境下的腐蚀产物主要有β-FeOOH、Fe2O3、γ-FeOOH、Fe3O4、α-FeOOH组成,腐蚀过程中少量α-FeOOH形成减缓了基体的腐蚀速率:带锈Q345D钢自腐蚀电位随腐蚀时间的延长呈现逐渐增加趋势,腐蚀前168 h内,自腐蚀电流密度逐渐增加,腐蚀速率增加,168～240 h内,自腐蚀电流密度减小,锈层保护性逐渐变好,此阶段内腐蚀速率降低,240 ～480 h内,自腐蚀电流密度增加,腐蚀速率加快.     

压缩应力下（Tb,Dy）Fe2磁致伸缩的研究

本文利用自制的磁致伸缩测量仪和“ｊｕｍｐ”效应测量仪研究了在一定压强了多晶（Ｔｂ、Ｄｙ）Ｆｅ２棒的磁致伸缩,发现加压时,在一定工艺条件下制作的（Ｔｂ、Ｄｙ）Ｆｅ２棒会有磁致伸缩的变化。卸载后经过热处理,磁致伸缩值在不加压时也会维持一个高值。     

（Pr0.8Tb0.2）（Fe0.4Co0.6）1.88C0.05／树脂复合材料的制备与磁特性研究

采用粉末粘结技术制备了Pr0.8 Tb0.2(Fe0.4Co0.6)1.88C0.05/树脂复合材料.研究了超磁致伸缩合金/环氧树脂复合材料的磁致伸缩性质及高频磁性能,并对所制备的磁致伸缩复合材料的磁导率随频率和树脂体积分数的变化规律进行系统研究.结果表明,由于树脂的添加,不仅可以提高复合材料的截止频率和高频磁性能,使其具有良好的高频响应特性,其截止频率达4MHz以上;而且通过适当选择树脂的体积分数,复合材料仍能保持良好的磁致伸缩性能,Pr0.8Tb0.2(Fe0.4 Co0.6)1.88C0.05/树脂复合材料样品的λ在树脂的质量分数为8%时达最大值,为5.33×10-4,除树脂含量为12%的样品外,其余复合材料样品的磁致伸缩系数均大于合金样品;当树脂含量为6%和8%时,表现出较优异的频率稳定性及高频响应特性.     

硅、锗材料在Si（100）表面的生长研究

利用扫描隧道显微镜和超高真空实验装置系统进行了Si（100）表面生长Si，Ge的实验研究。分析了所生成表面的形貌、结构等物理性质。研究表明：Si在Si（100）表面的同质生长可以形成纳米结构薄膜。Ge在Si（100）表面生长形成规则的三维小岛，而在Si/Ge/Si（100）多层膜上生长则形成大小二种三维岛，研究表明大岛具有Ge/Si/Ge的壳层结构。     

CO2分压对20#钢在CO2/H2O气液两相塞状流中腐蚀行为的影响

利用失重法、SEM、EDS、XRD和XPS等分析方法在自主设计的动态腐蚀实验装置上研究了CO_2分压对20#钢在CO_2/H_2O气液两相塞状流中腐蚀行为的影响,对腐蚀试样进行了腐蚀速率分析、腐蚀形貌特征观察以及腐蚀产物成分与膜层结构特征分析。结果表明:随CO_2分压的增加腐蚀速率增加,0.04 MPa、0.28 MPa下分别达到腐蚀速率最小值(1.160 9 mm/a)和最大值(1.898 8mm/a);上管壁腐蚀产物随着CO_2分压的增加最终形成颗粒较大的节瘤状产物,下管壁腐蚀产物由球形颗粒形成初始致密的单层膜逐渐转变为由致密的内层膜和具有网状连通裂纹的片状疏松外层膜构成;经EDS元素分析可知上下壁面的腐蚀产物均由Fe、C、O三种元素构成,XPS分峰图谱显示C 1s、O 1s和Fe 2p均出现了三个拟合峰位,结合XRD分析可知腐蚀产物的主要组成相有Fe_3C、FeCO_3、Fe_2O_3、Fe_3O_4、FeOOH。     

Mn2-xFexP1-yGey（x=0.8、0.9,y=0.2、0.24、0.26）磁制冷材料的制备工艺及磁热性能研究

利用机械合金化和放电等离子烧结技术制备了Mn2-x Fex P1-y Gey(x=0.8、0.9,y=0.2、0.24、0.26)磁制冷材料。采用XRD、中子衍射及SEM分析手段,系统研究了该系列材料的成相与球磨时间、烧结温度、烧结压力和保温时间的关系。分析了烧结样品的相结构和显微组织,发现随着烧结温度的升高杂质相逐渐减少,形成了稳定的该系列磁制冷材料的制备工艺。对不同组分Mn2-x Fex P1-y Gey合金的相变过程和磁热性能进行了分析,其中Mn1.2Fe0.8P0.74Ge0.26的居里温度为277.4K接近于室温区间,滞后为3K、熵变为21.5J/(kg·K),是一种较理想的磁制冷工质材料。     

CO2分压对20#钢在CO2/H2O气液两相塞状流中腐蚀行为的影响

利用失重法、SEM、EDS、XRD和 XPS等分析方法在自主设计的动态腐蚀实验装置上研究了 CO2分压对20#钢在CO2/H2O 气液两相塞状流中腐蚀行为的影响,对腐蚀试样进行了腐蚀速率分析、腐蚀形貌特征观察以及腐蚀产物成分与膜层结构特征分析.结果表明:随CO2分压的增加腐蚀速率增加,0.04 MPa、0.28 MPa下分别达到腐蚀速率最小值(1.1609 mm/a)和最大值(1.8988 mm/a);上管壁腐蚀产物随着CO2分压的增加最终形成颗粒较大的节瘤状产物,下管壁腐蚀产物由球形颗粒形成初始致密的单层膜逐渐转变为由致密的内层膜和具有网状连通裂纹的片状疏松外层膜构成;经 EDS元素分析可知上下壁面的腐蚀产物均由Fe、C、O 三种元素构成,XPS分峰图谱显示C 1 s、O 1 s和Fe 2 p均出现了三个拟合峰位,结合XRD分析可知腐蚀产物的主要组成相有 Fe3C、FeCO3、Fe2O3、Fe3O4、FeOOH.     

Ce对铝青铜合金粉体材料涂层在5.0% H2SO4溶液中腐蚀行为的影响

利用等离子喷焊技术,将自主研究开发的多元铜合金粉末(含Ce和不含Ce)涂覆在45#钢表面,通过静态浸泡腐蚀实验、电化学实验,采用X射线衍射、表面EDS、EPMA等分析手段,研究Ce对多元铝青铜粉末熔覆层在5.0%H2SO4溶液中耐腐蚀性能及腐蚀行为的影响。结果表明,在5.0%H2SO4溶液中,合金粉体涂层发生了选择性脱成分腐蚀,稀土元素Ce能改善铝青铜合金粉体涂层的自腐蚀电位,提高该涂层的耐腐蚀性能。