文档介绍：2005 届优秀毕业论文[设计]集(第五册理学院)
Collection Graduation Theses (Projects) of SZU 2005 (VOLUME V School of Science)

Ga 对 Gd-Tb 合金磁热性能的影响研究

(理学院材料科学与工程系材料科学与工程专业冯学文)
(学号:2001143005)

摘要:为探讨 Ga 对 Gd-Tb 室温磁制冷材料的影响,本文用 X 射线衍射分析,金相观察
等技术测定了 Gd-Tb-Ga 三元系富稀土(Ga≤50at.%)部分合金相图 500℃等温截面。实验证实了
体系中五个二元化合物:Gd5Ga3,Gd3Ga2,GdGa,Tb5Ga3 和 TbGa 的存在,未发现新的三元化合物。
相应的化合物形成了连续固溶体,该截面共有三个连续固溶体(Gd,Tb)5Ga3、(Gd,Tb)Ga 和(Gd,Tb)
存在。Ga 在(Gd,Tb)固溶体中的最大固溶度约为 8at.%,而在其它单相中有不可察觉的固溶度。
在测定相图的基础上,本文测定了 Ga 掺杂的 Gd-Tb 合金 Gd60Tb40-xGax 及 Tb25Gd75-xGa(x x =
0~10)材料的磁制冷性能。结果表明随 Ga 掺量的增加,合金的磁熵变也增加,当 Ga 掺杂量为
7at.%时,合金的磁熵达到最大值,而对合金的磁转变温度影响不大。
关键词:Gd-Tb-Ga 三元合金、等温截面、磁热效应
教师点评:冯学文同学认真独立完成了 Ga 对 Gd-Tb 合金磁热性能的影响的研究工作,实验
过程中熔练了大批量合金,初步确定了 Gd-Tb-Ga 三元系 500℃(0 at.%Ga~50at.%Ga)等温截
面中含有四个单相区,四个两相区和一个三相区,体系中存在五个二元化合物,未发现新的三元
化合物,并研究了 Gd60Tb40-xGax 和 Gd75-xTb25Gax 两个合金体系低磁场下的磁熵变变化规律。研
究结果表明 Gd60GaxTb1-x 和 Tb25GaxGd75-x 系都可用作近室温磁制冷工质材料。该生实验过程认真
细致,具有较强的动手能力和理解能力,较强的分析问题和解决问题的能力。该生的毕业论文实
验方案合理,结果可靠,具有一定的创新性,是一篇优秀的本科毕业论文。(点评教师:李均钦,
教授)

第一章绪论
磁制冷技术
磁制冷技术是一种把磁性材料的磁热效应应用于制冷领域的技术,磁热效应(MCE)是磁
性材料的一种固有特性,是在外磁场变化时引起的材料自身磁熵改变,同时伴随着材料吸热放热
现象,如图 1 所示。对于铁磁性材料来说,磁热效应在它的居里温度附近最为显著,当有外磁场
作用时,该材料的磁熵值降低并放出热量;反之,当外磁场去除时,材料的磁熵值升高并吸收热
量。见图 1。
放热吸热
磁性或或
材料升温降温

H=0 H>0 H=0
图 1 磁制冷原理

磁制冷是一项绿色环保的制冷技术。与传统的依靠气体压缩与膨胀的制冷技术相比,磁制冷
是采用磁性物质作为制冷工质,对大气臭氧层无破坏作用,无温室效应,而且磁性工质的磁熵密
度比气体大,因此制冷装置可以做得更紧凑。磁制冷只要用电磁体或超导体以及永磁体提供所需
的磁场,无需压缩机,没有运动部件的磨损问题,因此机械振动及噪声较小,可靠性高,寿命长。
在热效率方面,磁制冷可以达到卡诺循环的 30%~60%,而依靠气体的压缩-膨胀的制冷循环一
1
冯学文:Ga 对 Gd-Tb 合金磁热性能的影响研究

般只能达到 20%~30%[1],因此,磁制冷技术具有良好的应用前景。
磁制冷性能的表征
磁制冷材料的磁制冷性能主要取决于以下几个特性:居里点 Tc、外加磁场 H、磁热效应
MCE 和磁比热容 CH 。Tc 指从高温冷却时,发生顺磁→铁磁磁相变的转变温度;H 指对磁制冷
材料进行磁化时所加的外部磁场,对同一制冷材料而言,H 越大,磁热效应就越大;磁制冷性能
一般用在 Tc 时一定外场 H 下的等温磁熵变| ∆SM | 或绝热磁化时材料自身的温度变化△Tad 来表
征,在相同的外场条件下,若| ∆SM | 或△Tad 越大,则该材料的磁热效应就越大,磁制冷性能越
好;磁比热容 CH 是指外磁场 H 下磁制冷材料的比热,在同样| ∆SM | 或△Tad 时,磁比热容越大,
热交换性能越好,制冷性能越好[2]。
由热力学基本关系式推出磁系统的热力学麦克斯韦关系式:
⎛⎞∂∂SM⎛⎞
⎜⎟= ⎜⎟
∂∂BT
⎝⎠0 T ⎝⎠B0
其中 S 是熵,T 是