PDF《Er-Al-Co 块体非晶合金的磁热效应》

2813 论文并发挥非晶态材料的独特优势. 尽管顺磁盐在低温区已经得到了实际应用, 晶 态顺磁盐, 如钆镓石榴石(Gadolinium Gallium Garnet, GGG)的使用温度上限只有

10 K[12] ,

10 K 之后其致冷 能力几乎为零. 稀土元素 Er 的居里温度为

20 K, 是 重稀土元素中居里温度最低的. 如上所述, Er 基块体 非晶合金的居里温度都很低, 刚好处在氢液化的温 度区间, 非晶态合金的致冷温区一般都比较宽, 同时 也已经发现在 Er 基块体非晶合金中确实能获得较大 的??Smax, 因此, 通过发现新的 Er 基合金成分来调节 和改进非晶态材料的磁热效应, 并突破顺磁盐适用 温区狭窄的瓶颈, 对于低温致冷工程和低温物理学 发展是有价值的.

1 实验方法 本研究设计了一系列不同成分的 Er-Al-Co 三元 合金, 另外考虑到磁性元素的浓度越高越有利于磁 热效应, 本工作中 Er 元素的含量都设计为 56%以上, 所设计的成分如图

1 所示. 采用纯度为 99.95%以上的 Er, Al 和Co 为原料, 先在电弧炉内熔炼成中间合金, 用Ti 锭吸氧, 然后 采用水冷铜模法吸铸成直径为 2~5 mm 的棒状样品. 利用 Rigaku D/max-3B (Cu 靶)型X-射线衍射仪分析 样品的结构, 采用 Netzsch-STA-449C 示差扫描量热 仪分析所制备合金的热效应. 利用美国 Quantum Design 公司的综合物性测量系统 PPMS

9 测试样品的 图1Er-Al-Co 合金成分设计 磁性能. 测量时, 取非晶样品约

5 mg, 在200 Oe 磁 场中对样品进行冷场(即FC)模式测试, 实验所采用 的冷却速率为

1 K min?1 , 测试温度范围 2~50 K, 实 验过程中记录磁化强度与温度之间的变化关系.

2 结果与分析 直径 2~5 mm 的Er-Al-Co 合金试棒断面的 XRD 图谱如图

2 所示. 从图中可以看出, 除了成分为 Er60- Al12Co28 和Er60Al16Co24 合金的 XRD 图谱上有明显的 晶体衍射峰, 是非晶基体与晶体相的复相结构, 其他 合金的衍射特征均呈现出在 35°左右出现大的弥散散 射和 60°左右出现小的弥散散射峰, 它们都可以看作 完全非晶结构, 个别有极微弱的晶体衍射峰表明有 少量(≈5%)晶体分布在非晶基体上. 由图可知, Er56- Al24Co20 合金能够得到直径为

5 mm 的非晶样品. 对XRD 曲线上无明显晶化峰的样品进行 DSC 测 试分析, 结果如图

3 所示. 可见随着加热温度的升高, 合金中出现了明显的对应于玻璃转变的吸热反应和 随后若干个对应于晶化反应的放热峰, 这也进一步 证实了它们基本为非晶态结构. 其中, Er56Al24Co20 非 晶合金的过冷液相区宽度(?Tx)最大, 可达 52.2 K, 如 果仅以?Tx 作为评价非晶形成能力的参考指标, 对比 图2和3可知, Er56Al24Co20 具有较高的非晶形成能力. 图2Er-Al-Co 合金的 XRD 图谱

2011 年11 月第56 卷第33 期2814 图3Er-Al-Co 合金的 DSC 曲线 图4给出了 Er56Al24Co20, Er58Al22Co20, Er58Al24- Co18 和Er58Al14Co28 (以下分别表示为 E1, E2, E3 和E4)的磁温曲线, 图5则相应给出了用于确定居里温 度(Tc)的微分曲线, Tc 对应于微分曲线峰谷温度值. 从图

4 和5可见, 磁化强度在临界温度附近的变化是 非常急剧的, 根据 Maxwell 关系可以推断, 这些合金 在Tc 附近可能具有较大的 MCE. 从图

5 中可以标出 E1~E4 合金的 Tc 值分别为 8.5, 8.6, 8.5 和8.6 K, 也可以 看到这些成分不同的合金具有相近的 Tc. 这些非晶合 金的 Tc 比稀土元素 Er 的低