[发明专利]一种稀土—铁—硅基磁制冷复合材料及其制备方法

说明书

一种稀土—铁—硅基磁制冷复合材料及其制备方法，其包含功能体组元和基体组元，所述功能体组元包括稀土—铁—硅基合金颗粒，所述基体组元包括铝金属单质或铝合金，所述稀土—铁—硅基合金颗粒被所述基体组元粘结形成块体材料或功能体组元与基体组元反应物粘结形成块体材料。该复合材料具有同时保持较高磁热效应、导热性能和力学性能，并且便于加工成型，而且氢化处理和用于制冷机使用时不粉化，其形状仍保持完整的优点。

技术领域

本发明涉及一种磁制冷材料，尤其涉及一种稀土—铁—硅基磁制冷复合材料及其制备方法，属于磁制冷材料领域。

背景技术

目前，制冷技术已渗透到人们日常生活和工业生产活动的各个领域，从日常的衣、食、住、行，到科学研究领域都离不开制冷技术。在普冷的技术领域内，蒸气压缩制冷自19世纪70年代开始发展，至今已有近150年的历史，是目前发展比较完善、应用最为广泛的制冷方法之一。然而，蒸气压缩制冷机的效率仅为卡诺循环效率的40％左右，并且其普遍使用的氟利昂类制冷剂排放到大气中会破坏臭氧层和产生温室效应，使全球气候变暖，危害环境。在能源和环境问题日益凸显的形势下，节能环保的新型制冷技术越来越受到人们的关注。

磁制冷是一种绿色环保、高效节能的制冷技术，其发展前景为世界各国所看好。该技术采用固态磁工质，熵密度明显高于传统的化学制冷剂，这可以大幅减小制冷机体积，获得最大可能的制冷效率(可达到卡诺循环效率的60％以上)；更重要的是，磁制冷材料不会产生诸如破坏臭氧层和温室效应的气体；此外，磁制冷机还具有噪音小、寿命长和可靠性高等优势。作为磁制冷技术的心脏，磁制冷材料的性能直接影响到磁制冷机的功率和效率等性能。自1997年至今，具有巨磁热效应的磁制冷材料已被大力开发和广泛研究。几种典型的室温磁制冷材料包括：Gd₅(Si_xGe_1-x)₄合金、NaZn₁₃型结构的La(Fe_xSi_1-x)₁₃合金、Fe₂P型结构的MnFeP(As,Ge,Si)合金、Heusler型铁磁形状记忆合金以及类钙钛矿型锰氧化物。其中，La(Fe,Si)₁₃基合金以其无毒、原料丰富、低成本、窄滞后以及低驱动磁场等优势被公认为最具有应用前景的磁制冷材料之一。至今，国内外多家企业和科研机构已将La(Fe,Si)₁₃基磁制冷材料用于磁制冷样机试验。La(Fe,Si)₁₃化合物的居里温度在200K左右，不能直接用于室温磁制冷机中。用少量Co替代La(Fe,Si)₁₃化合物中的Fe原子或将化合物氢化处理均可大幅提升材料的居里温度。La(Fe,Co,Si)₁₃化合物在室温附近的相变趋向于二级相变，熵变较低。La(Fe,Si)₁₃H_x化合物室温附近仍保持较强的一级相变，熵变较高。但是，这类含氢化合物在氢化处理和制冷机中工作过程中容易出现裂纹，甚至粉化。在实际应用中，磁工质不但要具有大磁热效应，还必须能与流体有效地热交换。这就要求磁制冷材料具有足够高的导热能力，以及能被加工成不同形状(如薄片、球形、多孔介质)。因此，改善稀土—铁—硅基磁制冷材料的导热性能、力学性能和可加工成型能力近年来成为科学界和工程界重要的研究课题。

中国专利申请(公布号CN103137281A)公开了一种具有高强度的粘结La(Fe,Si)₁₃基磁热效应材料及其制备方法和用途，采用有机聚合物胶粘剂粘结热固成型的方法，通过调整成型压强、热固温度、热固气氛等可获得高强度的粘结La(Fe,Si)₁₃基磁热效应材料，克服了磁热效应材料易碎的本征特性；磁熵变与粘结前相比可基本保持不变。但是，由于有机聚合物粘结剂和孔隙的存在，这类复合材料导热能力普遍很差，甚至低于粘结前相应的致密块体合金数倍。