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寧波材料所在熱變形制備稀土磁制冷材料研究上取得進(jìn)展

2021-11-04 15:44:56 作者：中科院寧波材料所來源：中科院寧波材料所分享至：

基于材料磁熱效應(yīng)的磁制冷技術(shù)具有內(nèi)稟可逆的高效熱力學(xué)特性和環(huán)保優(yōu)勢，有望成為氣壓縮制冷最具潛力的替代方案之一。我國具有自主知識產(chǎn)權(quán)的La-Fe-Si合金是國際上公認(rèn)的具有較大應(yīng)用潛力的磁制冷材料之一。然而，這種材料的磁熱功能相由包晶凝固反應(yīng)形成，傳統(tǒng)鑄造方法很難直接獲得磁熱相。通常需要將鑄態(tài)合金在1273 K左右的高溫均勻化熱處理數(shù)周，其制備周期長且能耗較高，嚴(yán)重阻礙了磁制冷技術(shù)的發(fā)展。以往的研究多采用提高熱處理溫度、加快凝固速率、成分優(yōu)化或粉末冶金等方法加速磁熱相的形成，但多以犧牲材料磁熱性能、力學(xué)性能或引入其它復(fù)雜工藝流程為代價。因此，突破La-Fe-Si磁制冷材料制備的關(guān)鍵技術(shù)之一是尋找簡單有效的新途徑調(diào)控磁熱相的形成過程，從而高效獲得綜合性能優(yōu)異的磁工質(zhì)。

最近，中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所磁性相變材料團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)開展了變形量31.3%～84.4%的923 K熱鍛壓LaFe13.92Si1.4合金的研究，發(fā)現(xiàn)變形樣品中磁熱相的形成速率顯著高于未變形樣品，且形成速率隨著變形量的增加不斷提高。利用背散射電子衍射技術(shù)表征變形樣品微觀組織，觀察到熱鍛壓樣品中α-Fe和富La相呈層狀分布，同時變形過程中出現(xiàn)的連續(xù)動態(tài)再結(jié)晶（Continuous dynamic recrystallization）在其內(nèi)部形成高密度晶界（圖1a）。這種垂直和水平晶界構(gòu)造的奇異層狀組織增加了磁熱相的形核位點(diǎn)，且高密度晶界有利于促進(jìn)元素?cái)U(kuò)散。84.4%熱鍛壓樣品經(jīng)1323 K熱處理1 h即可獲得高達(dá)82.2 vol.%的磁熱相， 2 T磁場下磁熵變?yōu)?4.6 J/kg K。而相同條件下未變形樣品中僅包含24.1 vol.%磁熱相，磁熵變?yōu)?.3 J/kg K（圖1b）。將大變形樣品熱處理12 h后進(jìn)行吸氫處理，獲得了居里溫度為309 K且保持完整的20×10×1 mm3的片狀制冷工質(zhì)，磁熵變高達(dá)19.4 J/kg K（圖1c），初步實(shí)現(xiàn)了高綜合性能磁制冷工質(zhì)的制備。這種基于熱塑性變形調(diào)控La-Fe-Si合金成相行為和磁熱效應(yīng)的研究，對稀土磁制冷材料的組織設(shè)計(jì)和加工成型具有重要的指導(dǎo)作用，同時也為研究稀土基雙相合金中界面演變和成相行為的關(guān)聯(lián)等科學(xué)問題提供了有力手段。此外，熱鍛壓變形的近終成型特點(diǎn)也非常適合La-Fe-Si合金的批量化制備。