PDF《Er-Al-Co 块体非晶合金的磁热效应》

2011 年第56 卷第33 期:2812 ~

2818 www.

scichina.com csb.scichina.com 英文版见: Hui X D, Xu Z Y, Wu Y, et al. Magnetocaloric effect in Er-Al-Co bulk metallic glasses. Chinese Sci Bull, 2011, 56, doi: 10.1007/s11434- 011-4855-7 《中国科学》杂志社 SCIENCE CHINAPRESS 论文Er-Al-Co 块体非晶合金的磁热效应 惠希东, 许志一, 吴渊, 陈晓华, 刘雄军, 吕昭平 北京科技大学新金属材料国家重点实验室, 北京

100083 E-mail: [email protected] 2011-07-18 收稿, 2011-09-09 接受 国家重点基础研究发展计划(2007CB613901)和国家自然科学基金(50871013, 51071018)资助项目 摘要 利用水冷铜模铸造法制备了一系列不同成分的 Er-Al-Co 三元块体非晶合金, 研究了该 系列合金的非晶形成能力和磁热效应. 结果表明, 在磁场诱发下, 该系列非晶合金在

9 K 左右 发生了顺磁-铁磁性二级磁性转变. 由于具有较高的有效磁子数, 该系列非晶合金具有优异的 磁热效应, 其中 Er56Al24Co20 非晶合金最大磁熵变和磁致冷能力分别为 16.06 J kg?1 K?1 和465.7 J kg?1 , 是氢液化区有竞争力的磁致冷候选材料. 关键词 Er-Al-Co 块体 非晶合金 磁热效应 居里温度 致冷能力 磁热效应(magnetocaloric effect, MCE)在非晶态 材料中的早期工作多数集中于通过快速凝固获得的 非晶薄带, 主要研究含稀土或过渡金属元素的非晶 合金. 结果表明, 它们的磁性转变温区比较宽, 多数 RE1?xMx 型合金(M 为过渡元素)都表现为传统 MCE, 即等温磁熵变为正值. 例如, Gd70Fe30 非晶[1] 在10 kOe (10 kOe=795.775 kA/m)外场下的最大磁熵变 (??Smax)为1.5 J kg?1 K?1 . 当Fe 被Ni 部分取代形成 Gd70Fe12Ni18 非晶时, 其??Smax 对应的温度从 287.5 降 低为

170 K, 在70 kOe 下的??Smax 为7.71 J kg?1 K?1 ;

而当 Fe 完全被 Ni 取代形成 Gd70Ni30 非晶合金[1,2] 时, 居里温度为 126.3 K, 在10 和70 kOe 下的??Smax 分 别为 2.45 和1.5 J kg?1 K?1 . 具有磁热效应的块体非晶合金(bulk metallic glasses, BMGs)的研究较晚但发展迅速.

2002 年, Shen 等人[3] 报道了 Pd40Ni22.5Fe17.5P20 块体非晶合金的磁热 效应, 该合金随温度降低逐渐呈超顺磁、铁磁和自旋 玻璃态, 超顺磁-铁磁转变温度为

94 K,

50 kOe 下的 ??Smax 为0.58 J kg?1 K?1 .

2006 年, Luo 等人[4] 研究了 G d 基块体非晶的MCE,所涉及的成分是Gd33Er22Al25Co20 和Gd53Al24Co20Zr3, 其居里温度分别 为52 和93 K, 在50 kOe 下的??Smax 分别为 9.47 和9.4 J kg?1 K?1 .

2007 年, Luo 等人[5] 又研究了 Ho, Dy, Er 基块体非晶合金的 MCE, 报道在零场冷却条件下 这些合金伴随有自旋玻璃-顺磁转变,其中Er50Al24Co20Y6 的居里温度为

8 K,

50 kOe 下的??Smax 为15.91 J kg?1 K?1 .

2008 年, Jo 等人[6] 研究了 Gd55Co20Fe5Al20 的MCE, 发现??Smax 出现在

125 K, 比其居里温度

130 K 稍低,

20 kOe 下的??Smax 为2.24 J kg?1 K?1 . 近年来, 本课题组先后报道了 Gd56?x- DyxAl24Co20(x=16, 20, 22)[7] , Gd36Y20Al24Co20 [8] , Ho36- Dy20Al24Co20 [9] , Dy36Ho20Al24Co20 [10] , Er36Ho20Al24- Co20 [11] 的MCE, 其中 Gd40Dy16Al24Co20 在50 kOe 外 场下的最大等温磁熵变为 15.78 J kgC1 KC1 . 客观地说, 非晶态合金在相同磁场和温度范围 内的??Smax 还是不能跟晶态合金相比拟的. 许多具 有巨磁热效应晶态材料的??Smax 之所以较大, 是因 为在磁场诱导下发生了伴随结构变化的一级磁转变, 而已报道的非晶态合金的磁转变都是二级转变, 点阵 对磁场诱导下的热效应没有贡献. 晶态材料在 MCE 与温度之间的曲线有一个尖锐的峰, 相比之下, 非晶态合金的适用温度范围很宽, 更适合于实现卡 诺循环. 现在要突破的问题是, 希望通过成分设计制 备出磁熵变值能够与典型晶态材料相媲美的材料,