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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：

基于材料磁熱效應的磁制冷技術具有內稟可逆的高效熱力學特性和環保優勢，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權的La-Fe-Si合金是國際上公認的具有較大應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形成，傳統鑄造方法很難直接獲得磁熱相。通常需要將鑄態合金在1273 K左右的高溫均勻化熱處理數周，其制備周期長且能耗較高，嚴重阻礙了磁制冷技術的發展。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、力學性能或引入其它復雜工藝流程為代價。因此，突破La-Fe-Si磁制冷材料制備的關鍵技術之一是尋找簡單有效的新途徑調控磁熱相的形成過程，從而高效獲得綜合性能優異的磁工質。

最近，中國科學院寧波材料技術與工程研究所磁性相變材料團隊系統開展了變形量31.3%～84.4%的923 K熱鍛壓LaFe13.92Si1.4合金的研究，發現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的連續動態再結晶（Continuous dynamic recrystallization）在其內部形成高密度晶界（圖1a）。這種垂直和水平晶界構造的奇異層狀組織增加了磁熱相的形核位點，且高密度晶界有利于促進元素擴散。84.4%熱鍛壓樣品經1323 K熱處理1 h即可獲得高達82.2 vol.%的磁熱相， 2 T磁場下磁熵變為14.6 J/kg K。而相同條件下未變形樣品中僅包含24.1 vol.%磁熱相，磁熵變為1.3 J/kg K（圖1b）。將大變形樣品熱處理12 h后進行吸氫處理，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，磁熵變高達19.4 J/kg K（圖1c），初步實現了高綜合性能磁制冷工質的制備。這種基于熱塑性變形調控La-Fe-Si合金成相行為和磁熱效應的研究，對稀土磁制冷材料的組織設計和加工成型具有重要的指導作用，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聯等科學問題提供了有力手段。此外，熱鍛壓變形的近終成型特點也非常適合La-Fe-Si合金的批量化制備。