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《上海金屬》夏雷等工作：Fe85Zr10B5 三元非晶合金的非晶形成能力及磁熱性能
發布日期：2023-09-27 瀏覽次數：2740
近年來，隨著全球氣候變暖和能源消耗的不斷增加，開發新的制冷方法取代氟利昂作為制冷劑的傳統氣體壓縮制冷技術尤為重要。其中，以磁熱效應(即材料在磁化或退磁過程中由于磁矩有序/無序轉變而產生的熱量變化)為基礎的磁制冷技術具有工件結構更緊密、效率更高、能耗更低以及對環境更無害等優點，從而受到了越來越多的關注。磁制冷設備的性能在根本上取決于其制冷工質的磁熱效應，所以開發具有可觀的磁熱效應的磁制冷材料是當今磁制冷領域的研究熱點，特別是在制冷技術應用最為廣泛的室溫。
上海大學夏雷等采用單輥甩帶法成功制備了Fe85Zr10B5非晶合金，并對其非晶形成能力、磁性能和磁熱效應進行了研究。結果表明：Fe85Zr10B5非晶合金具有較大的過冷液相區寬度γ參數和臨界截面厚度，表明其優異的抗晶化熱穩定性和非晶形成能力。相關研究成果于2023年9月在《上海金屬》發表。
研究人員選取試驗原材料純度為99.95%的金屬Fe、Zr和B質量分數為18.38%的Fe-B合金，按照名義成分Fe85Zr10B5進行稱量配比，質量誤差控制在0.1mg以內。首先在充滿高純Ar氣的高真空電弧熔煉爐中制備母合金錠，反復熔煉3次以上以保證其成分均勻、無元素偏析。然后將母合金錠鉗碎放在石英管中，并在高純Ar氣中通過感應線圈熔化成熔融態，隨后利用氣壓差將熔體噴注到旋轉速度為50m/s的銅輥上進行快淬，得到厚度均勻的Fe85Zr10B5合金帶材。選取表面平整、平均厚度約40μm的合金條帶進行后續測試。使用D/MAX-2500型X射線衍射儀(X-ray diffractometer，XＲD)對條帶結構進行表征（圖1），靶材為Cu靶、Kα輻射，掃描角度為10°～90°，掃描速率為8(°)/min，步長為0.02°。通過Netzsch404C型差式掃描量熱儀(differential scanning calorimeter，DSC)測試非晶條帶的熱性能，包括玻璃轉變起始溫度(Tgonset)、晶化起始溫度(Txonset)和液相線溫度(T1)等特征值，加熱速率為20K/min。使用綜合物理性能測量系統(QuantumDesign，PPMS6000型)測試非晶條帶的磁性能，獲得不同溫度下的磁滯回線、0.03T磁場中磁化強度與溫度(M-T)的關系曲線和不同溫度下的等溫磁化曲線(M-H)（圖2-3）。實驗結果表明：Fe85Zr10B5非晶合金的XＲD圖譜上表現出典型的非晶漫散射駝峰，證明其為非晶態結構;通過熱性能分析發現Fe85Zr10B5非晶合金具有不高的Trg但相當寬的ΔTx、比較大的γ參數和Zc，表明該合金具有較好的非晶形成能力。Fe85Zr10B5非晶合金在200K時表現為良好的軟磁性，矯頑力幾乎為零，飽和磁化強度為114.1A·m2/kg，在380K時為順磁性;在200～380K之間發生了鐵磁-順磁轉變，轉變溫度即居里溫度為325K（圖4）。Fe85Zr10B5非晶合金的Arrott曲線的斜率均為正值，表明其在Tc附近發生了二級磁相變。根據Maxwell公式求得Fe85Zr10B5非晶合金在1.5和5.0T磁場中的－ΔSmpeak分別為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附近滿足－ΔSmpeak∝H0.74關系，與Franco等的預測結果和大部分非晶合金的試驗結果相接近，但偏離平均場理論的理論值。得益于二級磁相變的典型特征，Fe85Zr10B5非晶合金展現出相當寬的ΔTFWHM(在5.0T磁場中達到～169K)，從而使其ＲCP(～549.4J/kg)大于傳統的巨磁熱效應材料。考慮到較高的－ΔSmpeak、超寬的工作溫度區間和較大的磁制冷能力，Fe85Zr10B5非晶合金作為磁制冷工質在室溫磁制冷領域具有非常大的應用潛力。
上海大學夏雷等采用單輥甩帶法成功制備了Fe85Zr10B5非晶合金，并對其非晶形成能力、磁性能和磁熱效應進行了研究。結果表明：Fe85Zr10B5非晶合金具有較大的過冷液相區寬度γ參數和臨界截面厚度，表明其優異的抗晶化熱穩定性和非晶形成能力。相關研究成果于2023年9月在《上海金屬》發表。
研究人員選取試驗原材料純度為99.95%的金屬Fe、Zr和B質量分數為18.38%的Fe-B合金，按照名義成分Fe85Zr10B5進行稱量配比，質量誤差控制在0.1mg以內。首先在充滿高純Ar氣的高真空電弧熔煉爐中制備母合金錠，反復熔煉3次以上以保證其成分均勻、無元素偏析。然后將母合金錠鉗碎放在石英管中，并在高純Ar氣中通過感應線圈熔化成熔融態，隨后利用氣壓差將熔體噴注到旋轉速度為50m/s的銅輥上進行快淬，得到厚度均勻的Fe85Zr10B5合金帶材。選取表面平整、平均厚度約40μm的合金條帶進行后續測試。使用D/MAX-2500型X射線衍射儀(X-ray diffractometer，XＲD)對條帶結構進行表征（圖1），靶材為Cu靶、Kα輻射，掃描角度為10°～90°，掃描速率為8(°)/min，步長為0.02°。通過Netzsch404C型差式掃描量熱儀(differential scanning calorimeter，DSC)測試非晶條帶的熱性能，包括玻璃轉變起始溫度(Tgonset)、晶化起始溫度(Txonset)和液相線溫度(T1)等特征值，加熱速率為20K/min。使用綜合物理性能測量系統(QuantumDesign，PPMS6000型)測試非晶條帶的磁性能，獲得不同溫度下的磁滯回線、0.03T磁場中磁化強度與溫度(M-T)的關系曲線和不同溫度下的等溫磁化曲線(M-H)（圖2-3）。實驗結果表明：Fe85Zr10B5非晶合金的XＲD圖譜上表現出典型的非晶漫散射駝峰，證明其為非晶態結構;通過熱性能分析發現Fe85Zr10B5非晶合金具有不高的Trg但相當寬的ΔTx、比較大的γ參數和Zc，表明該合金具有較好的非晶形成能力。Fe85Zr10B5非晶合金在200K時表現為良好的軟磁性，矯頑力幾乎為零，飽和磁化強度為114.1A·m2/kg，在380K時為順磁性;在200～380K之間發生了鐵磁-順磁轉變，轉變溫度即居里溫度為325K（圖4）。Fe85Zr10B5非晶合金的Arrott曲線的斜率均為正值，表明其在Tc附近發生了二級磁相變。根據Maxwell公式求得Fe85Zr10B5非晶合金在1.5和5.0T磁場中的－ΔSmpeak分別為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附近滿足－ΔSmpeak∝H0.74關系，與Franco等的預測結果和大部分非晶合金的試驗結果相接近，但偏離平均場理論的理論值。得益于二級磁相變的典型特征，Fe85Zr10B5非晶合金展現出相當寬的ΔTFWHM(在5.0T磁場中達到～169K)，從而使其ＲCP(～549.4J/kg)大于傳統的巨磁熱效應材料。考慮到較高的－ΔSmpeak、超寬的工作溫度區間和較大的磁制冷能力，Fe85Zr10B5非晶合金作為磁制冷工質在室溫磁制冷領域具有非常大的應用潛力。
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