[发明专利]一种碳基室温磁制冷复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种磁制冷工质及其制备方法，更具体的涉及一种用于室温磁制冷的高机械强度及热传输能力的碳基室温磁制冷复合材料及其制备方法。

背景技术

近年来，能源和环境问题受到人们越来越多的重视。现代社会依赖制冷技术来保存食物，提供一种凉爽舒适的生活空间或者工业制冷。据统计，所有制冷装置消耗的能量占全球能源消耗的15％，提高制冷技术的能源利用率将显著降低世界能源消耗。并且目前广泛使用的是传统的气体压缩/膨胀制冷技术，这种制冷技术所使用的制冷剂——氟利昂、氨等，会对臭氧层产生严重破坏，造成强的温室效应。因此，探索一种新型的高效、环保的制冷技术对解决能源与环境问题有十分重要的意义。

近些年来，一种基于磁热效应的磁制冷技术受到广泛的研究，它被公认为是最有潜力替代传统气体压缩/膨胀制冷的技术之一。磁制冷技术使用固态制冷剂，不使用有害气体，对环境无伤害。它至今能实现的制冷效率已经达到卡诺循环效率的60％，而目前最高效的传统气体压缩制冷只能达到卡诺循环效率45％。因此，磁制冷技术既环保又高效，具有广阔的应用前景。

磁制冷技术的开发有三个重要的方向：寻找具有巨磁热效应、低磁滞、低热滞的材料；开发磁制冷材料成型工艺，制作适合于磁制冷机的各种复杂形状的磁制冷工质；开发简单、高效的磁制冷系统。目前所发现的室温磁制冷材料主要有La(Fe,Si)₁₃、Gd-Ge-Si、Ni-Mn-In、LaCaMnO₃、MnAs等系列化合物，这些新型巨磁热效应材料的共同特点是磁熵变远高于传统室温磁制冷材料Gd。然而这些材料大多是金属间化合物，脆性大，抗压强度差，成型困难。即使是烧结成型的磁制冷工质，在制冷机中使用时，仍然容易破碎，产生的粉末会堵塞换热流体循环通道，降低磁制冷效率和制冷机的使用寿命。此外，磁制冷材料在实际的应用中，需要制作成易于同载热流体进行高效换热的各种复杂的形状，如薄片、微球、细线、蜂窝状等形状，而传统的加工方法都难以实现复杂的形状。因此，磁制冷材料的成型工艺仍然是一个世界难题，阻碍了磁制冷技术的应用。目前室温磁制冷材料的加工成型方法和工艺主要包括旋转电极雾化法、定点激光热熔法、热降解再组合法、粉末热压法，这些方法一方面使用昂贵的加工设备、高温、高压或者额外的化学试剂，另一方面可能产生其他非磁热效应杂质，降低磁热性能。并且这些方法没有解决磁制冷材料在使用中的易碎问题。

中国专利申请CN103422014A公开了一种热塑成型粘结磁制冷工质材料及其制备方法和用途，该材料包括磁热效应合金颗粒和热塑型胶粘剂，其制备方法为磁粉颗粒和热塑型胶粘剂均匀混合，通过热塑成型粘结成块体材料，获得了高强度韧性好的La(Fe,Si)₁₃基磁热效应材料。然而热塑型胶粘剂是绝热材料，严重影响了其换热效率。磁熵变幅度和有效制冷能力与粘结前相比大幅降低，为了维持大磁熵变，需要热塑型胶粘剂的量越少越好，热塑型胶粘剂量少将显著降低复合材料的力学性能。并且高分子耐老化性差，其中包含的氧原子、氮原子长期存在可能对磁性材料的性能产生影响。因此，该磁制冷复合材料的传热性能、力学性能和耐候性都亟待改善。

发明内容

本发明要解决的第一个技术问题是提供一种碳基室温磁制冷复合材料，该材料可增加室温磁制冷的制冷量，改善换热效果，该材料具有高的环境稳定性、结构致密度和机械强度。

本发明要解决的第二个技术问题是提供一种制备上述材料的方法。

为解决上述第一个技术问题，本发明采用下述技术方案：

一种碳基室温磁制冷复合材料，该材料由室温磁制冷工质颗粒和高分子碳化物组成，所述室温磁制冷工质与高分子碳化物的重量比为100:0.1-100，所述高分子碳化物填充在室温磁制冷工质颗粒之间。

优选地，所述室温磁制冷工质与高分子碳化物的重量比为100:1-50。

优选地，所述室温磁制冷工质的粒径大小为0.00001-1mm，更优地，所述粒径大小为0.001-0.5mm。

优选地，所述室温磁制冷工质选自金属间化合物磁热效应材料及其衍生物或氧化物磁热效应材料及其衍生物；更优地，所述室温磁制冷工质选自La(Fe,Si)₁₃基室温磁热效应材料。