(La，R)（Fe，Co，Si）13系列化合物的磁性和磁热效应

论文摘要

磁致冷作为一项高新绿色制冷技术,有望替代传统的蒸汽压缩制冷。NaZn13型立方结构的La（Fe,Si）13系列化合物及其衍生化合物由于具有大磁热效应,且价格低廉、环境友好,有望成为优良磁制冷材料。本文用X射线衍射、扫描电镜和磁性测量系统地研究了（La,R）（Fe,Co,Si）13系列化合物的物相结构、磁性及其磁热效应。本论文的主要研究结果如下:（1）XRD分析得出La1.1-xGdxFe11.4Si1.6 （ x=0, 0.05, 0.1, 0.15和0.2）系列化合物均由NaZn13型立方结构（空间群Fm-3c）组成。居里温度随着Gd的增加分别从195 K （x=0）升高到198 K （x=0.2）。Gd替代La弱化了其居里温度附近的场致变磁转变,继而从一级相变转变为二级相变。化合物的热滞随着Gd的增加有所减小。La1.1-xGdxFe11.4Si1.6（x=0, 0.05, 0.1, 0.15和0.2）系列化合物在磁场变化为0 1.5 T下的最大磁熵变从14.1 Jkg-1K-1降到9.6 Jkg-1K-1。（2）为了调节居里温度,对LaGd0.1Fe11.4Si1.6 （x=0.1, 0.3, 0.5, 0.7和0.9）和La0.9Ce0.2Fe11.0Si2.0 （x=0, 0.2, 0.4和0.8）系列化合物添加了Co元素。由LaGd0.1Fe11.1Co0.3Si1.6化合物的扫描电镜照片分析得出,化合物主要由三相组成,分别为主相LaGd0.17Fe11.16Co0.43Si1.68 （灰色区域）,小部份富铁相LaGd0.68Fe116.9Co3.77Si4.57（黑色区域）和富镧相LaGd0.12Fe0.96Co0.14Si1.06（白色区域）。用Co替代Fe以后使LaGd0.1Fe11.4-xCoxSi1.6和La0.9Ce0.2Fe11-xCoxSi2.0系列化合物的居里温度调到了室温附近。磁性测量表明,该系列化合物不存在热滞。磁场变化为0 1.5 T下,LaGd0.1Fe11.4Si1.6 （x=0.1, 0.3, 0.5, 0.7和0.9）和La0.9Ce0.2Fe11.0Si2.0 （x=0, 0.2, 0.4和0.8）系列化合物的最大磁熵变分别从13.8 Jkg-1K-1降到1.5 Jkg-1K-1以及从5.6 Jkg-1K-1降到2.7 Jkg-1K-1。等温磁熵变随Co含量的增加而减小。（3）研究了适当添加稀土元素Ce、Gd、Dy、Er对化合物LaR0.1Fe11.4Si1.6的居里温度和磁热效应的影响。添加R=La、Ce、Gd、Dy和Er后该系列化合物的居里温度分别为196, 190, 196, 191和194 K。其中添加Ce的化合物的磁熵变为最大,添加Er的化合物的磁熵变为最小。虽然如此,由于等温磁熵曲线的宽度,Ce替代化合物的相对制冷能力与其他化合物的相当。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 1 Introduction
• 1.1 General introduction
• 1.2 Magnetic refrigeration
• 1.2.1 The comparison between magnetic refrigeration and vapor refrigeration
• 1.2.2 Magnetic refrigeration cycles
• 1.3 Recent developments of large MCE materials
• 5（Si,Ge）₄ and related 5:4 materials'>1.3.1 Gd₅（Si,Ge）₄ and related 5:4 materials
• 1.3.2 Mn-based compounds
• 1.3.3 Manganites
• 13-based compounds'>1.3.4 La（Fe,M）₁₃-based compounds
• 1.4 Outline of this thesis
• References
• 2 Theoretical aspects
• 2.1 Gibbs free energy
• 2.2 Magnetic entropy change
• 2.3 Determination of the magnetocaloric effect
• 2.4 The selection principle for magnetic refrigerants
• References
• 3 Experimental
• 3.1 Sample preparation and heat treatment
• 3.2 Sample characterization
• 3.3 Magnetic measurements
• 3.4 Processes of experimentation
• References
• 1.1-xGd_xFe_11.4Si_1.6 compounds'>4 Magnetic properties and magnetocaloric effect in La_1.1-xGd_xFe_11.4Si_1.6compounds
• 4.1 Introduction
• 4.2 Results and discussion
• 4.2.1 Structural properties
• 4.2.2 Magnetic properties
• 4.3 Conclusion
• References
• 0.1Fe_11.4Si_1.6 and La_0.9Ce_0.2Fe_11.0Si_2.0 with Co doping'>5 Structural and magnetic properties of LaGd_0.1Fe_11.4Si_1.6 and La_0.9Ce_0.2Fe_11.0Si_2.0 with Co doping
• 5.1 Introduction
• 0.1Fe_11.4-xCo_xSi_1.6'>5.2 LaGd_0.1Fe_11.4-xCo_xSi_1.6
• 5.2.1 Structural properties
• 5.2.2 Magnetic properties
• 0.9Ce_0.2Fe_11.0-xCo_xSi_2.0'>5.3 La_0.9Ce_0.2Fe_11.0-xCo_xSi_2.0
• 5.3.1 Structural properties
• 5.3.2 Magnetic properties
• 5.4 Conclusions
• References
• 0.1Fe_11.4Si_1.6 （R=La, Ce, Gd, Dy, Er） compounds'>6 Magnetic properties and magnetocaloric effect in LaR_0.1Fe_11.4Si_1.6 （R=La, Ce, Gd, Dy, Er） compounds
• 6.1 Introduction
• 6.2 Results and discussion
• 6.3 Conclusion
• References
• Publications
• Projects
• Acknowledgments