[发明专利]低磁场下具有巨磁热效应的Gd5Si2-xGe2-xZn2x和Gd5Si2-yGe2Zny合金

说明书

技术领域

本发明涉及一种低磁场下具有巨磁热效应的Gd₅Si_2-xGe_2-xZn_2x合金，提高低磁场下室温磁制冷工质材料Gd₅Si₂Ge₂合金磁热效应和居里温度，属于金属间化合物磁性材料的技术领域。

背景技术

在日常生活中，传统的制冷方式随处可见，渗透到我们生活和工作环境中的各个方面，这些制冷方式主要有三种，1)利用半导体热电效应产生的制冷；2)利用高压气体绝热膨胀产生的制冷；3)利用物质相变产生的制冷。目前，这些制冷方式及其应用的制冷工质材料存在很多弊端，如效率低、价格贵(半导体制冷)、噪音高，而且制冷工质材料对环境的污染较大等等，特别是利用气体绝热膨胀产生的制冷方式，氟里昂制冷工质材料的大量应用，对保护地球的臭氧层产生了严重的破坏作用，使地球室温效应日益加剧，已成为国际性公害。为了保护人类的生存环境，联合国在2000年出台了蒙特利尔协议^[1]，这个协议的主要内容是限制氟利昂的生产和使用。在这种情况下，传统的制冷行业面临新的挑战，高效、低能、无污染的绿色环保制冷技术的发展变得更为迫切。

磁制冷技术与传统的制冷技术相比，具有对臭氧层无破坏作用，无温室效应，噪音低，体积小、可靠性和效率高等优势，备受世界各国科技界的关注，被视为未来新一代绿色环保型制冷技术。

磁制冷与传统制冷相比是两种不同的制冷机制。磁制冷是通过磁制冷工质材料在外加磁场作用下的励磁、退磁过程中实现制冷，而传统气体制冷是通过气体工质材料在压缩机作用下的压缩、膨胀过程中实现制冷。磁制冷的外加磁场相当于传统制冷中的压缩机，因磁场本身具备磁能量，在制冷过程中能量的消耗比压缩机小。因此，从发展的眼光来看，与传统制冷技术相比，磁制冷技术有着广阔的发展前景。

目前，在磁制冷材料的研究中，与其他几类磁制冷合金相比，Gd₅Si₂Ge₂合金无毒性，相变温度在室温附近，在ΔH＝5T磁场下具有高的磁热效应，被认为是一种很好的磁制冷工质材料，所以本文选择它作为基体合金，但这个合金在未来磁制冷技术的实际应用中还存在一些问题：

1)获得巨磁热效应所需外的加磁场太高。因此，对它的研究也仅限于高磁场下磁热效应的研究(ΔH＝5T)，有人在ΔH＝2T磁场下对此合金进行了研究，但获得的磁热效应(14J/kg·K)和居里温度(273K)比较低，两者同时提高很困难。所以得到的普遍结论是：这个合金在未来的磁制冷技术应用中，必须采用高磁场的超导磁体来实现，目前Ames实验室中以Gd₅Si₂Ge₂合金为工质材料的磁制冷样机的外加磁场，亦为超导磁体。超导磁体的使用导致磁制冷技术的应用成本增高，限制了Gd₅Si₂Ge₂合金在室温磁制冷技术中的商业化应用进程。

2)Gd₅Si₂Ge₂合金的居里温度亦比较低。例如在ΔH＝5T磁场下，铸锭合金的最大等温磁熵变曾经获得过18.5J/kg·K和20.0J/kg·K，它的居里温度为276K，离室温使用的温度要求有差距。

3)Gd₅Si₂Ge₂合金发生一级相变时存在较大的磁滞后，它会影响制冷循环系统和制冷能力的最大发挥。

发明内容

本发明的目的是用微量元素合金化的方法，提高在1.5T低磁场下Gd₅Si₂Ge₂合金磁热效应和居里温度，改变了磁制冷技术依赖高磁场的应用理念，使合金在价格低廉的NdFeB磁场应用成为可能。

本发明的另一目通过高传导电子Zn元素对基体Gd₅Si₂Ge₂的合金化处理，使4f电子与传导电子杂化程度发生变化，诱发合金中元素的化合价和合金的自旋波能量变化，使合金的一级相变容易发生，合金对外加磁场变化响应敏感，降低合金发生一级相变的临界诱发磁场和相变过程中产生的磁滞后，提高合金的磁热效应和磁制冷循环过程的效率。

本发明的目的是通过下述技术方案来实现：