[发明专利]具有磁熵变平台的原位复相钆基磁致冷材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及磁性材料领域，特别是涉及一种具有磁热效应的钆基磁致冷材料及其制备方法。

技术背景

相对于目前普遍采用的气体压缩式制冷技术而言，磁制冷具有绿色、节能、易于小型化等优点，在空调、冰箱、气体液化、红外元件的冷却、微电子系统冷却等领域有广泛的应用前景。

对于绝大部分铁磁材料而言，其磁熵变随温度变化曲线的特征是：在磁有序温度附近，材料的磁熵变达到最大值；在磁有序温度的两侧，随温度升高和降低，磁熵变都减小。

在磁制冷机中，埃里克森循环是一个非常重要的循环。在15K以上的制冷温区，由于固体物质的晶格熵占总熵的比例较大，低温下的卡诺循环不再适合，而要采用埃里克森循环以降低晶格熵带来的影响。埃里克森循环要求工质在循环过程中保持回热平衡，在磁熵变曲线上具有平台现象的磁致冷材料是最优选择。因此，从应用角度而言，具有磁熵变平台的磁致冷材料对制冷机的设计和磁热效应的最终实现具有重要意义。

磁熵变平台可以通过单一材料的多个磁有序相变来实现。如(Gd_0.54Er_0.46) NiAl合金(Appl. Phys. Lett., 1994;64:2739)在25K附近发生顺磁-铁磁和铁磁-反铁磁相变，从而在15-35K温度区间获得磁熵变平台。但是具有磁熵变平台的单相材料非常有限，迄今为止，只有(Gd_1-xEr_x) NiAl单相合金具有该特征。

磁熵变平台还可以通过复合材料的方法实现。我国科学家戴闻通过理论分析指出(J. Appl. Phys., 1992;71:5272)，单一磁工质和复合磁工质虽然都可以获得回热平衡，但是采用复合磁工质的埃里克森循环还有两个优势：一是理论上可以达到卡诺循环效率；二是可以获得更高的制冷能力。实验方面，T. Hashimoto等(J. Appl. Phys.,1987;62:3873)采用摩尔比为0.312:0.198:0.490的ErAl₂、HoAl₂和(Ho_0.5Dy_0.5)Al₂三种材料进行烧结，获得了在10-35K温度范围内具有平台现象的磁熵变曲线。

粉末烧结工艺获得的材料密度通常比材料的理论密度低，颗粒之间空隙、空洞的存在会影响材料的传热；此外，烧结工艺不可避免产生异质材料之间过渡层问题，导致材料的磁热效应降低。因此，开发新的制备工艺对获得具有磁熵变平台的复合磁工质具有非常重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，采用原位合成的方法，即选择合适的合金成分，使合金在凝固过程中形成包含多种合金相的复合结构，提供一种具有磁熵变平台的磁致冷材料及其制备方法，使其更适合作为在液氮温区附近满足埃里克森循环的磁致冷工质使用。

本发明是通过电弧熔炼的方法将合金熔化均匀，凝固后获得包含多个合金相的Gd-Co-Al母合金铸锭，然后采用水冷铜模吸铸法获得包含晶体相和非晶相的圆柱状合金。具体技术方案为：一种具有磁熵变平台的原位复相钆基磁致冷材料，其组成可用公式表示为：GdaCobAlc，其中 50.0≤a≤55.0、15.0≤b≤20.0、25.0≤c≤31.0，且a+b+c =100。

所述的具有磁熵变平台的原位复相钆基磁致冷材料，还可以是52.5≤a≤53.0、16.5≤b≤19.0、28.0≤c≤31.0，且a+b+c =100。

所述的具有磁熵变平台的原位复相钆基磁致冷材料，还可以是52.5≤a≤53.0、16.5≤b≤17.5、29.5≤c≤31.0，且a+b+c =100。

所述的具有磁熵变平台的原位复相钆基磁致冷材料，可以是具有多个合金相的多晶合金。

所述的具有磁熵变平台的原位复相钆基磁致冷材料，可以是为同时具有晶体和非晶体的复合合金。

所述的具有磁熵变平台的原位复相钆基磁致冷材料的制备方法，其包含以下步骤：

（1）配料：将金属钆、钴、铝按规定原子百分比配料；其中钆的纯度为99.2%（质量百分比）、钴、铝原材料的纯度为99.9%（质量百分比）以上；

（2）熔炼：将按步骤（1）配制好的原料在高纯氩气氛保护下熔炼至原料完全熔化，凝固后得到母合金。