[发明专利]用于磁制冷应用的磁致热合金

说明书

本发明涉及一种磁致热材料，其包括：(Ce_xNd_1‑x)Si，其中x的范围为约0.1至约0.9，并且其中所述磁致热材料在约10K至约42K的温度范围内展示二级磁性相变。本发明还涉及一种磁致热材料，其包括：RE(Si_yA_1‑y)，其中RE选自由下述组成的组中：Ce、Nd或Gd；其中A选自由下述组成的组中：Sn、Co、Al、Ni、Fe、Mn、Zn或Cu；其中y的范围为约0.1至约0.9。合金是相当便宜的，并且在一些情况下在它们的居里温度附近展示二级磁性相变，因此没有热磁滞损耗和结构磁滞损耗。这使得这些组合物成为用于磁制冷应用的有吸引力的候选。公开的材料的性能与许多已知的昂贵稀土类磁致热材料类似或更好。

相关申请的交叉引用

本申请要求2017年1月9日提交的、名称为“用于磁制冷应用的磁致热合金”的美国临时专利申请号62/443,955和2017年4月4日提交名称为“用于磁制冷应用的磁致热合金”的美国临时专利申请号62/481,385的优先权，其内容通过引用以其整体并入本文。

技术领域

本发明的实施方式一般地涉及包括用于磁制冷应用的三元合金的磁致热材料。在一些实施方式中，公开的合金仅仅展示二级磁性相变，没有热或结构磁滞损耗。这使得它们成为有吸引力的用于磁制冷应用的候选。另外，公开的组合物相比现有技术材料，成本更低并且性能更高。

背景技术

磁制冷使用磁致热效应(MCE)，其是磁性材料在暴露于磁场之后的温度变化。磁致热效应的更详细说明由Plaza和Campoy，J.of Magnetism and Magnetic Mat.，321，446(2009)描述。开发低成本磁性冰箱的关键挑战是MCE材料的成本和可用性，所述MCE材料通常是稀土并且非常昂贵。磁致热效应(MCE)是磁性固体的固有特性，其已经成功地用于各种应用。当材料在其磁有序温度附近时，MCE材料对施加或去除磁场的热响应通常被最大化。因此，考虑用于磁制冷设备的材料必须在感兴趣的温度区域附近展示磁性相变温度，即对于氢液化～20K，对于氮液化～80K等。根据B.G.Shen，J.R.Sun，F.X.Hu，H.W.Zhang，和Z.H.Cheng，Adv.Mater.，21，4545(2009)，一些最常见的MCE材料包括RNi₂(R＝Gd、Dy和Ho)和RAl₂(R＝Er、Ho、Dy和Dy_0.5Ho_0.5、Dy_xEr_1-x和GdPd)，所有这些都是稀土并且是昂贵的。Kamiya等人，Cryocoolers，14，637(2007)，成功地展示了小规模氢液化磁性冰箱，效率接近90％的卡诺效率，但是，需要280g的稀土MCE材料、镝(批发价～$350/kg，99％的纯度)钆(批发价～$55/kg，99.9％纯度)铝石榴石，以实现14.6W的最大冷却功率。这些起始材料必须进一步进行重要的加工，以获得期望的MCE特性，这可使材料成本增加10倍-100倍。明显地，使用传统的稀土类MCE材料来确保400W冷却功率的磁制冷系统的资本成本将远超过其经济可行性。