放电等离子烧结La0.8Ce0.2Fe9.2Co0.6Si1.2/Fe复合材料：具有用于近室温磁热应用的优异性能

《Magnetochemistry》：Spark Plasma Sintered La0.8Ce0.2Fe9.2Co0.6Si1.2/Fe Composites with Superior Properties for Near-Room-Temperature Magnetocaloric Applications

　　

通过放电等离子烧结（SPS）制备了La_0.8Ce_0.2Fe_9.2Co_0.6Si_1.2/Fe块体复合材料，并研究了Fe粉含量对复合材料相组成、微观结构、磁性能、力学性能和热导率的影响。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La_0.8Ce_0.2Fe_9.2Co_0.6Si_1.2基体之间发生原子扩散，降低了目标1:13相的成分均匀性，并在邻近Fe粉的颗粒中诱导形成热分解（TD）结构。随着Fe粉含量从0 wt%增加到15 wt%，复合材料在2 T下的最大磁熵变((?ΔS_M)_max)从8.11降至5.78 J?kg^?1?K^?1。有趣的是，α-Fe相显著增强了复合材料的机械强度和热导率(λ)。含15 wt% Fe的复合材料(S15)形成了连续的α-Fe网络结构，并具有最佳的机械和热性能：其(σ_bc)_max达到1463 MPa，300 K时的λ为20 W·m^?1·K^?1。由于磁、机械和热性能的均衡，La_0.8Ce_0.2Fe_9.2Co_0.6Si_1.2/Fe复合材料展现出独特且均衡的性能，使其成为近室温磁制冷应用的有前景候选材料。

磁制冷技术基于磁热效应（magnetocaloric effect, MCE），是一种高效、环境友好的冷却技术，有望替代蒸气压缩制冷。近年来，多种稀土基金属间化合物在低温区表现出巨磁热效应，但近室温磁制冷需要综合性能优异的工质。La-Fe-Si基合金因具有NaZn₁₃型立方晶体结构（即1:13相）而成为最具潜力的候选材料，但其本征脆性导致机械强度差，限制了实际应用。粉末冶金是改善脆性材料机械性能的常用方法，但传统粘结剂如Sn、In、Cu、Al等多为非磁性材料，会削弱复合材料的磁热效应；RE-Co粘结剂虽可在退火中再生1:13相，但在放电等离子烧结（SPS）过程中易形成难以消除的稀土富集相。鉴于Fe是1:13相的组成元素之一，研究人员选用Fe粉作为粘结剂，通过SPS制备La_0.8Ce_0.2Fe_9.2Co_0.6Si_1.2/Fe复合材料，系统研究Fe粉含量对相组成、微观结构、磁性能、机械性能和热导率的影响。该研究为获得磁、机械和热性能均衡的La-Fe-Si基磁热材料提供了可行策略，有助于推动近室温磁制冷技术的应用。相关成果发表于《Magnetochemistry》。

研究人员采用电弧熔炼制备非化学计量比合金锭（额外添加5 wt% La和Ce补偿挥发损失），通过甩带法制成快淬薄带，在1373 K退火2 h得到含98 wt% 1:13相和2 wt% 1:1:1相的薄带；经研磨筛分选取45–90 μm粉末作为母合金粉。以5 μm纯Fe粉（由中诺新材料（北京）科技有限公司提供）为粘结剂，按0、5、10、15 wt%比例与母合金粉混合，在1223 K、50 MPa、5 min条件下进行SPS烧结。采用X射线衍射（X-ray diffraction, XRD）与Rietveld精修分析相组成，背散射电子（backscattered electron, BSE）模式扫描电子显微镜（scanning electron microscope, SEM）观察微观结构，能谱仪（energy-dispersive spectrometer, EDS）测定元素分布，综合物性测量系统（Physical Property Measurement System, PPMS）测试磁性能和热导率，阿基米德法测密度，万能试验机测压缩力学性能。

3.1 相分析：通过XRD和Rietveld精修发现，所有SPS样品均含有1:13相、α-Fe相和La₂O₃相。S0中也出现约1 wt% α-Fe相，表明烧结过程中局部过热导致1:13相发生热分解（thermal decomposition, TD）。α-Fe相含量随Fe粉添加量增加而增加，但S5、S10、S15中的实测含量（4.9 wt%、9.0 wt%、14.1 wt%）低于初始添加量，原因是SPS过程中Fe粉与合金颗粒间发生原子互扩散，Fe溶解