Fe2P型磁製冷化合物的結構與磁熱效應研究

項目摘要

研製套用磁場低、磁熱效應高的低成本室溫區磁致冷材料是推動節能、環保的室溫磁製冷技術發展的需要，也是當前國際磁致冷材料研究的熱點。具有Fe2P晶體結構的MnFeP基合金有望發展成為這類新型室溫區巨磁熱效應材料。.本項目針對前期在MnFePM（M=Si, Ge）合金中獲得室溫區巨磁熱效應的研究結果，擬通過第一原理計算和統計力學分析，從合金的電子結構、磁結構和磁相變的最基本層面，建立MnFePM合金巨磁熱效應的理論判據。在此基礎上，深入研究合金的成分和結構與其磁熱性能之間的調製規律。其中重點考查磁相變過程中合金的晶體結構和磁結構的演化規律及相變的物理機制；並考查相變過程中合金的熱滯、磁滯和初始效應的成因及消除方法。最終建立合金的成分、結構與其磁熱性能之間的構效關係模型，全面最佳化MnFePM合金的磁熱性能。研製出具有原創性的新型MnFePM室溫磁致冷合金。

結題摘要

基於磁熱效應的磁製冷技術是一種有希望替代傳統製冷方式的新技術。它具有製冷效率高、無環境污染等諸多優點因而受到廣泛的關注。尋找性能卓越、成本低廉的新型磁致冷材料一直是該領域的研究重點。具有Fe2P結構的MnFePAs（Si，Ge）合金是這類材料中綜合性能較高的一種，有望成為實用性的室溫區磁製冷工質材料。本文針對MnFePSi/Ge合金的磁熱性能與成分、結構和製備工藝之間的依賴關係及其性能最佳化進行了系統研究。首先，以名義成分為Mn1.1Fe0.9P0.76Ge0.24的合金為研究對象，採用中子衍射技術、XRD以及Rietveld結構精修方法研究了Fe2P型MnFePGe合金的晶體結構和磁結構。闡明了Mn1.1Fe0.9P0.76Ge0.24合金晶體結構類型、晶格參數、原子占位和原子磁矩排列方式。其次，在同一體系中對比了由磁測和熱測量得到的熵變數值。其結果顯示，磁測得到的熵變數值即有可能大於DSC的結果，也可能比它小。這取決於相變的溫度區間以及所施加的磁場大小。另外，這兩者之間的差別有可能來自相變過程中結構熵和磁熵的變化時符合相反的。由於諸多研究已表明磁性測試得到的熵變數值具有爭議性，尤其是在居里溫度附近發生的一級相變。因此，我們認為DSC方法是一種可靠的技術用來研究相變過程中的熵變。另外，對於MnFePSi合金中P/Si和Mn/Fe成分各自變化時其結構及磁熱效應的變化進行研究。結果顯示，當主族元素P和Si之間的比例變化時，合金的居里溫度隨著Si含量的增加逐漸升高，同時熱滯及熵變都略微降低。當調節Mn/Fe比例時，隨著Mn含量的增加，居里溫度呈現單調降低的趨勢，但體系的最大磁熵變卻逐漸增大，且伴隨著熱滯的顯著降低。最終我們得到最佳化的合金成分Mn1.25Fe0.75P0.46Si0.54最大磁熵變為-6.1J•kg-1•K-1，熱滯為8K。接著，對以Ge元素為主的MnFePGe體系中主族元素和過渡族金屬比例變化時的規律進行了研究。結果顯示，居里溫度隨著Mn含量的增加逐漸降低，而隨著Ge含量的增加呈線性增加趨勢，這與含Si體系一致。當Ge增加時，晶體的ab面逐漸增大，c軸則持續收縮。熱分析與磁性測試表明，合金在室溫附近發生了鐵磁-順磁的一級磁相變，而熱滯則隨著Ge含量的增加出現先增後減的趨勢。最終最佳化得到Mn1.18Fe0.82P0.68Ge0.32合金成分的居里溫度

Fe2P型磁製冷化合物的結構與磁熱效應研究

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