C14-Fe2Nb Laves相金属间化合物的热膨胀系数与热容：实验与建模研究

本文系统研究了C14-Fe2Nb Laves相金属间化合物的热膨胀系数（CTE）和热容（Cp）。研究采用电弧熔炼制备样品，结合高温X射线衍射（HTXRD）和差示扫描量热法（DSC）进行精确测量，并运用准谐德拜-格里奈森（Quasi-harmonic Debye-Grüneisen）模型对热容进行建模分析，充分考虑了振动、电子及非谐效应等多种贡献因素，为评估其在高温结构材料（如耐事故容错燃料ATF包壳）中的应用提供了关键热物理数据支持。

　　

亮点

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  通过高温X射线衍射（HTXRD）和差示扫描量热法（DSC）对C14-Fe₂Nb Laves相的热膨胀系数和热容进行了全面的实验研究。
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  利用准谐德拜-格里奈森模型对实验测得的热容和焓增进行了建模分析。
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  评估了总热容中不同因素的贡献，包括振动、电子和非谐效应。

材料

高纯度Fe（99.999%）和Nb（99.99%）购自英国M/s Goodfellow Cambridge Ltd.公司，用于制备Fe-33.3 at.% Nb合金。

电弧熔炼

C14-Fe₂Nb合金是通过在高纯氩气（Ar）气氛下，电弧熔炼化学计量比的高纯铁（Fe）和铌（Nb）制备而成。熔炼过程使用水冷铜坩埚和非自耗钍钨（W）电极进行。在合金合成之前，通过熔炼钛锭来清除熔炼室内的残余氧气。

XRD分析

Fe-33.3 at.% Nb合金的粉末XRD分析表明，该合金由单一的C14-Fe₂Nb Laves相组成。这与Vo?等人提出的相图预期一致。通过Rietveld精修对XRD图谱进行的详细分析如图1所示。图中显示了记录的XRD图谱（红色圆圈）、拟合图谱（连续黑线）以及两者之间的差异（底部的蓝线）。从图中可以明显看出，实验数据和拟合结果吻合良好。

结论

制备了Fe-33.3 at.% Nb合金，并利用HTXRD和SEM-EDS进行了分析。两项分析结果均证实了单一C14-Fe₂Nb Laves相的存在。实验测量了热容和焓值数据。在298 K至880 K的温度范围内，热容范围在75至90 J K^-1 mol^-1之间。同时使用准谐模型对热容和焓进行了建模计算。计算中包含了非谐效应和电子效应的贡献。此外，还通过HTXRD测量了晶格参数随温度的变化，并计算了热膨胀系数。a轴、c轴和体积热膨胀系数的平均值分别为 α_aⁱ = 9.484 × 10^-6, α_cⁱ = 8.681 × 10^-6, 和 α_Vⁱ = 2.766 × 10^-5。