论文总字数：29307字

摘 要

近年来，Gd基金属玻璃由于其具有大磁热效应和高制冷能力使得其作为磁制冷材料有良好的应用前景，因而在学术界和工程界都获得了广泛关注。在此背景下，本文围绕Gd基金属玻璃的磁性、磁热效应、晶化动力学等展开研究。首先，制备不同甩带速率的Gd-Fe-Al合金体系的非晶条带，探究冷却速率对合金体系的结构、热稳定性以及磁热性能的影响。然后，在Gd-Co-Al合金体系中加入微量Si，探究掺杂微量Si元素对Gd-Co-Al金属玻璃热稳定性和玻璃形成能力的影响；最后，为了探究金属玻璃特殊微观结构对磁性能的影响，我们对Gd-Co-Al-Si合金体系进行等温晶化和弛豫处理，探究不同晶化相含量和弛豫对金属玻璃的磁热性能影响。本文研究结果表明冷却速率低于临界冷却速率时，无法形成完全的无定形结构，会含有部分结晶相，会明显降低磁热效应。少量Si掺杂可以提高玻璃转变温度和晶化温度，增强了金属玻璃的热稳定性。在玻璃转变温度Tg以上温度退火，随着晶化相含量的增加，饱和磁化强度和磁熵变都逐渐降低；在Tg（590 K）温度以下短时间（1 h）退火（弛豫）可以少量增加磁化强度和磁熵变。

关键词：Gd基金属玻璃，磁热效应，热处理，晶化动力学

Abstract

In recent years, Gd-based metallic glasses have gained wide attention in both academia and engineering due to their advantages of large magnetocaloric effect and high refrigeration capacity as refrigeration materials. In this thesis, we focuses on the magnetic, magnetocaloric effects, crystallization kinetics of Gd-based metallic glasses. Firstly, the effect of cooling rate on the amorphous structure, thermal stability and magnetocaloric properties of the Gd-Fe-Al alloy system was investigated. Then, a trace amount of Si was added to the Gd-Co-Al alloy system to investigate its effect on the thermal stability, glass forming ability and magnetocaloric properties of Gd-Co-Al metallic glass. Finally, we explored the effects of different degree of crystallization and structural relaxation on the magnetocaloric properties of metallic glass. The results of this study show that when the cooling rate is lower than the critical cooling rate, a completely amorphous structure cannot be formed, instead, a composite structure containing some crystalline phase is obtained, which will significantly reduce the magnetocaloric effect. A small amount of Si doping can increase the glass transition temperature and crystallization temperature, and enhance the thermal stability of the metallic glass. Annealing at a given temperature above Tg increases the content of the crystallized phase, and the saturation magnetization and magnetic entropy change gradually decrease. However, annealing at 590 K (below the Tg) for 1 h can slightly increase the magnetization and magnetic entropy change.

Key words: Gd-based metallic glass, magnetocaloric effect, heat treatment, crystallization kinetics

目 录

摘 要 Ⅰ

Abstract Ⅱ

第一章 绪论 1

1.1引言 1

1.2金属玻璃的发展历史 2

1.3金属玻璃的性能及应用前景 3

1.4研究背景以及研究内容 4

第二章 材料制备及实验方法 6

2.1实验原材料及样品制备 6

2.2测试仪器及方法 8

2.2.1 X射线衍射 8

2.2.2 DSC热分析 8

2.2.3磁性测量 9

第三章 冷却速率对Gd-Fe-Al体系的磁热效应的影响 11

3.1引言 11

3.2结果分析与讨论 11

3.2.1 Gd₆₅Fe₁₀Al₂₅的结构特征 11

3.2.2 DSC测试 13

3.2.3磁性能测试 14

3.3本章小结 20

第四章 晶化动力学及热处理对磁性能的影响 21

4.1引言 21

4.2结果分析与讨论 21

4.2.1非等温晶化动力学 21

4.2.2等温晶化动力学 25

4.2.3晶化对磁性能的影响 27

4.3本章小结 35

第五章 全文总结 36

参考文献 37

致 谢 39

第一章 绪论

1.1引言

金属玻璃（又名非晶合金）不同于晶体那样的长程有序，只存在短程有序，在微观原子排列构型上更加类似于液体，但在宏观物理性质上，它又和固体物质一样具有良好的刚性^[1]。金属玻璃是亚稳态材料，其结构是不稳定的，其系统自由能比相应晶态材料的自由能要高。在特定的条件下（加热至晶化温度以上），会发生结构转变，转变成体系自由能更低的晶态，即所谓的晶化。金属玻璃特殊的结构特征赋予了它诸多的优异的物理、化学、特别是磁性能（例如强度高、弹性好、硬度高、高耐磨性、耐腐蚀性、优异的软磁和硬磁性能等）。在金属玻璃诸多优异性能中，磁性能的应用最为广泛。不同于以往传统的磁性材料，金属玻璃电阻率较高，原子排列只有短程有序，因此其磁损耗低、磁导率高，软磁性能优异。目前，Fe基非晶条带已经在替代硅钢片、坡莫合金（铁镍合金）、铁氧体等在变压器铁芯、传感器等领域广泛应用。稀土基金属玻璃的磁热性能也引起了国内外科学家的广泛关注。上世纪八九十年代，快速冷却技术的发展和对玻璃形成能力认识的进一步加深推动了大块金属玻璃的发展，一定程度上解除了金属玻璃在尺寸上的限制。此后，金属玻璃开始成为研究的热点，大批研究者开始致力于探索金属玻璃的非晶结构、形成条件和热稳定性，研究如何利用和提高金属玻璃的各项优异性能，金属玻璃也开始在更多的领域得到应用。

在金属玻璃的诸多应用前景中，作为在磁制冷技术中应用的制冷剂具有良好的发展空间。在现今社会，环境问题和能源紧缺正在日益加剧，发展绿色、环保、低碳经济是唯一的出路。含有氟利昂等氟碳化物的制冷剂已被逐步禁止使用，利用气体压缩膨胀制冷依然是目前使用最普遍制冷方式，尽管对生态环境的危害有所降低，但这种传统制冷技术还存在效率低、耗电量高、体积大、震动和噪音大等明显问题。因此，人们迫切需要寻找一种可以替代传统气体制冷的新型制冷技术。而磁致冷技术因其具有绿色环保、尺寸小、重量轻、制冷效率高、制冷区间宽、低温性能优异和运行稳定可靠等优点受到了工程界和学术界的共同关注。

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