跨海桥梁环境中烷烃可燃性气体泄漏扩散与爆炸危险特性研究

《Applied Sciences》：Investigation of Leakage Dispersion and Explosion Hazard Characteristics of Alkane Flammable Gases in Cross-Sea Bridge Environments

　　

研究人员通过放电等离子烧结（SPS）制备了La0.8Ce0.2Fe9.2Co0.6Si1.2/Fe块体复合材料，并考察了Fe粉含量对该复合材料相组成、微观结构、磁性能、力学性能及热导率的影响。Fe粉含量改变了复合材料中α-Fe相的含量。在SPS过程中，Fe粉与La0.8Ce0.2Fe9.2Co0.6Si1.2基体间发生原子扩散，降低了目标1:13相的成分均匀性，并在Fe粉邻近颗粒中诱导形成热分解（TD）结构。当Fe粉含量由0 wt%增至15 wt%时，复合材料在2 T下的最大磁熵变（(?ΔSM)max）由8.11 J·kg?1·K?1降至5.78 J·kg?1·K?1。值得注意的是，α-Fe相显著增强了复合材料的机械强度与热导率（λ）。含15 wt% Fe的复合材料（S15）形成了连续的α-Fe网络结构，具备最优力学与热学性能：最大抗弯强度（(σbc)max）达1463 MPa，300 K下λ为20 W·m?1·K?1。凭借均衡的磁、力、热综合性能，La0.8Ce0.2Fe9.2Co0.6Si1.2/Fe复合材料展现出独特且平衡的性能，是近室温磁制冷应用的有力候选材料。

研究背景与立项依据

基于磁热效应（MCE）的磁制冷技术是一种新型、节能、环保的制冷方式，有望替代蒸汽压缩制冷。近室温磁制冷需要综合性能优异的磁热工质，其中具有NaZn₁₃型立方结构的La-Fe-Si基合金（即1:13相）因元素无毒、来源广、磁熵变大而成为最富潜力的候选。然而La-Fe-Si基合金本征脆性大、力学强度低，且传统粉末冶金粘结剂（Sn、In、Cu、Al及RE-Co等）多为非磁性或会引发稀土富相杂质，导致磁性能受损或综合性能受限。放电等离子烧结（SPS）虽具快速致密化优势，但RE-Co粘结剂在SPS中扩散生成的稀土富相难以消除。研究人员提出以Fe粉（1:13相组元之一）作粘结剂，既增强力学与导热，又借SPS中Fe原子向1:13相扩散潜在优化磁性能，据此开展系统研究。该文发表于《Applied Sciences》。

主要关键技术方法

研究人员采用电弧熔炼制备非化学计量La_0.8Ce_0.2Fe_9.2Co_0.6Si_1.2铸锭，经熔体旋淬成带、1373 K退火2 h获98 wt% 1:13相薄带，磨粉筛分45–90 μm为主合金粉；外购5 μm纯Fe粉作粘结剂，按Fe质量分数0、5、10、15 wt%配料，经SPS（1223 K、50 MPa、保温5 min、真空）制得?15 mm×6 mm块体（编号S0、S5、S10、S15）。表征方面，用X射线衍射（XRD）结合Rietica软件Rietveld精修相含量与晶格参数，用背散射电子（BSE）模式场发射扫描电镜（SEM）及能谱（EDS）分析微观结构与界面元素分布，用物理性能测量系统（PPMS-9）测磁化强度-温度曲线与磁熵变，用阿基米德法测密度与孔隙率，用万能试验机测抗压强度与破坏应变。

研究结果

3.1 相分析

XRD Rietveld精修显示，所有样品均含1:13相、α-Fe相及La₂O₃相；无Fe粘结剂的S0因SPS颗粒接触点局部过热产生约1 wt% α-Fe（源于1:13相分解为1:1:1与α-Fe的TD结构）。随Fe粉添加，S5、S10、S15中α-Fe实测含量（4.9、9.0、14.1 wt%）低于初始添加量，系1:13相边缘分解增α-Fe与Fe原子向1:13相溶解减α-Fe两过程竞争所致；S15的1:13相晶胞略收缩（a=11.4463(5) ?），与EDS所示Co含量降低一致。

3.2 SEM形貌与EDS分析

BSE图像表明：S0中TD结构位于合金颗粒边缘；S5中Fe粉填充间隙、α-Fe散布于1:13相之间、孔隙减少；S10中α-Fe渐成“网络状”并缓冲颗粒破碎，但Fe粉邻近区TD面积扩大；S15中Fe粉充分缓冲使主相颗粒高完整，α-Fe形成连续网络，TD仅限Fe/1:13界面。EDS线扫发现Fe/1:13边界有约3 μm成分过渡层，Si与Co向外扩散、Fe向内扩散，证实双向原子迁移；S15的1:13相平均Co原子比最低、Fe最高。

3.3 磁学与磁热性能

M–T与dM/dT–T曲线给出S0、S5、S10的居里温度（T_C）分别为258.2、259.1、258.9 K，S15降至255.3 K，归因于S15中1:13相Co含量显著降低。2 T下(?ΔS_M)^max由S0的8.11 J·kg^?1·K^?1单调降至S15的5.78 J·kg^?1·K^?1（5 T下由13.22降至10.03）；下降主因是1:13相含量减少与表面成分不均匀性加剧，孔隙率降低的正向作用被掩盖。制冷量（RC）在2 T下S0–S15为128.50–112.53 J·kg^?1，S15略低于部分对比文献。Arrott图近T_C斜率全正，属二阶磁相变（SOMT），磁滞极小；连通α-Fe网络可借~0.7 T杂散场进一步抑制滞后。

3.4 力学与热学性能

阿基米德法测S0孔隙率4.23%，S5降至1.65%，S10/S15相近且均高致密。抗压强度(σ_bc)^max由S0的335 MPa升至S5的1104 MPa、S10的1223 MPa、S15的1463 MPa，破坏应变S15达9.96%；α-Fe网络抑制脆裂扩展是关键。300 K热导率（λ）由S0的6.62 W·m^?1·K^?1升至S5的9.78、S10进一步增高、S15达20 W·m^?1·K^?1；连续α-Fe网络提供高效导热通道。Ashby图显示S15在λ-(σ_bc)^max与(σ_bc)^max?(?ΔS_M)^max双空间中优于多数已报SPS块体。

讨论与结论翻译

讨论指出，Fe作粘结剂避免引入非磁相，SPS中双向扩散虽略损磁熵变但大幅提升力热性能，S15以5.78 J·kg^?1·K^?1的(?ΔS_M)^max、1463 MPa强度与20 W·m^?1·K^?1导热实现磁、力、热平衡，为近室温磁制冷工质设计提供新思路；局限是缺循环疲劳与千次级磁热衰减数据，后续将建热-磁循环平台补足。

结论部分翻译如下：

研究人员通过放电等离子烧结成功制备了具优异综合性能的La_0.8Ce_0.2Fe_9.2Co_0.6Si_1.2/Fe复合材料。Fe粉含量调控相组成与α-Fe形貌：实测α-Fe低于添加量系TD分解与互扩散竞争结果。磁性能随Fe量增加因1:13相减少与成分不均而下降，(?ΔS_M)^max由8.11降至5.78 J·kg^?1·K^?1（2 T），全样呈利于制冷的SOMT。α-Fe网络使S15获1463 MPa强度与20 W·m^?1·K^?1导热（300 K）。S5–S15达成磁、力、热平衡，Fe粘结策略避免非磁相、最小化磁损并强化力热，推动近室温磁制冷实用化；后续需补循环稳定性评价。