[发明专利]一种稀土-铬-硅基磁制冷材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于材料学技术领域，涉及一种磁性功能材料，特别涉及一种用于磁制冷的稀土-铬-硅低温磁制冷材料及其制备方法。

背景技术

磁制冷材料是一种新型磁性功能材料，它是利用磁性材料的磁熵效应（即magnetocaloric effect，又称磁卡效应）实现制冷的一种无污染的制冷工质材料。磁熵效应是磁性材料的内禀特性之一，其大小取决于磁性材料内在的物理特性。磁制冷是利用外加磁场而使磁工质的磁矩发生有序、无序的变化（相变）引起磁体吸热和放热作用而进行制冷循环。通过磁制冷工质进入高磁场区域，放出热量到周围环境；进入零/低磁场区域，温度降低，吸收热量达到制冷的目的；如此反复循环可连续制冷。磁制冷被认为是一种“绿色”的制冷方式，不排放如氟利昂等任何有害气体，有望代替现在正在使用的耗能大且有害环境的气体压缩制冷方式。与现有最好的制冷系统相比，磁制冷可以少消耗20～30﹪的能源，而且即不破坏臭氧层又不排放温室气体，而现在使用的冰箱和空调系统则正在成为全世界能源消耗的主体。目前，磁制冷主要应用在极低温和液化氦等小规模的装置中。虽然诸多因素的限制使磁制冷技术的广泛应用尚未成熟，与传统的气体压缩制冷相比，磁制冷具有熵密度高、体积小、结构简单、无污染、噪声小、效率高及功耗低等优点，将成为未来颇具潜力的一种新的制冷方式。而取决于这一技术能否走出实验室，走进千家万户的关键是寻找在宽温区、低磁场条件下具有大磁熵变的磁致冷材料。

磁熵效应最早发现于1881年在Fe中发现。1933年Giauque和MacDougall成功的采取绝热磁化/退磁的方法使温度降至0.25K，因在磁制冷及相关领域的贡献，Giauque被授予1949年诺贝尔奖。对于磁制冷材料的研究热潮开始于20世纪90年代，美国宇航公司与美国国家能源部在Iowa大学所设的国家实验室合作，完成了第一台工作于室温附近的磁制冷电冰箱样机的试制。这台样机用稀土金属钆（Gd）为工作物质，超导磁体为磁场源。1997年，美国Iowa州立大学Ames实验室的Pecharscky等在Gd₅Si₂Ge₂合金中发现巨磁熵变效应。从而掀起了人们对各个温区具有巨磁熵变材料的探索和研究。按工作温区划分，磁制冷材料可以分为极低温（4.2K以下），低温（4.2-77K），中温区（77-273K）和室温区（300K附近）磁制冷材料。其中，目前低温区磁制冷材料主要包括Gd₃Ga₅O₁₂，GdLiF₄等顺磁金属盐和一些稀土金属间化合物，但由于他们的磁熵变相对较小，而且需要较大的磁场使其商业应用受到一定的限制。根据研究，RCr₂Si₂基化合物在其磁转变温度附近具有较大的磁熵变，在极低温磁制冷领域具有一定的应用前景。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种在较宽温区内具有在低磁场变化下大磁熵变、可用于低温磁制冷的稀土-铬-硅基磁性材料。

本发明的磁性材料的化学通式为：R-Cr₂-Si₂，其中R为稀土金属Er、Gd或Dy。该磁性材料具有体心ThCr₂Si₂型四方晶体结构。

本发明的另一个目的是提供这种磁性材料的制备方法。

本发明的具体步骤是：

步骤(1).将稀土金属、金属Cr和非金属Si按照摩尔比1.02～1.05:2:2均匀混合成原料；

所述的稀土金属为Er、Gd或Dy；

步骤(2).将原料置于熔炼容器内，对熔炼容器抽真空，容器内的压力小于等于1×10^-2Pa后，用氩气清洗炉膛2～4次后，然后充入氩气使容器内的压力达到0.92～0.98个标准大气压；

所述的熔炼容器为电弧炉或感应加热炉；

所述的氩气的体积纯度大于等于99.9%；

步骤(3).原料在熔炼容器内通过电弧放电或通电感应加热至完全融化，继续加热10～30秒后停止加热，自然冷却至常温，形成块状物；

步骤(4).将块状物翻转后再次在熔炼容器内加热至完全融化，继续加热10～30秒后停止加热，自然冷却至常温，重复本步骤2～4次，熔炼得到成分均匀的合金铸锭；

步骤(5).将熔炼制得的合金铸锭密封在真空度小于等于1×10^-3Pa的石英容器中，在700～900℃下高温下退火处理72～100小时；