[发明专利]一种磁制冷材料及其制备方法

说明书

本发明涉及一种磁制冷材料及其制备方法，使用高丰度稀土元素R替代Ni、Co、Mn、Ti，能够有效调控相变温度。该材料制备方法如下：按照化学式的化学计量比称取高纯原料并混合均匀；然后采用电弧熔炼或提拉法或定向凝固法将所述原料制备为磁相变材料；将高纯原料进行氩气保护地电弧熔炼，获得块体样品；最后将电弧熔炼得到的部分块体样品进行真空熔体快淬得到薄带或者真空退火。使得相变温度随着高丰度稀土元含量增加在100～350K宽温度范围内调控，并且获得增强的磁热效应。在室温磁致冷，高温热泵等生产生活中将具有广泛的应用前景。高效开发和利用高丰度稀土，有利于稀土资源的平衡利用。

技术领域

本发明涉及磁性材料领域，涉及一种磁制冷材料及其制备方法。

背景技术

随着经济发展，可持续发展意识不断增强，传统的气体压缩技术会被逐渐淘汰。近些年出现的磁制冷技术由于其节能高效，绿色环保，稳定可靠的优点受到了广泛的关注。磁制冷是以磁性材料的磁热效应(Magnetocaloric Effect)为基础的一种制冷方式。磁制冷基本原理是借助磁制冷材料的磁热效应，即磁制冷材料磁化时向外界放出热量，退磁时从外界吸取热量，达到制冷目的。在加磁和退磁时，往往伴随着熵值的变化，使得系统本身于周围环境有热量交换。

Heusler合金就是其中一种磁制冷材料。这类合金具有铁磁马氏体相变行为。Heusler合金中的铁磁马氏体相变是P.Webster在Ni₂MnGa中发现的。其特点就是一阶结构相变与二阶磁结构相变耦合。自此基于Heusler合金的铁磁马氏体相变材料体系不断地开发出来，成为研究热潮。铁磁马氏体相变过程中磁和结构相互影响，带来了很多物理效应，包括磁场诱导的形状记忆效应、磁场诱导的应变输出、磁电阻、交换偏置、磁熵变等。一般Heusler合金中主族元素原子占D位，过渡族元素原子占A/C位，D位于其最邻近的A/C位原子的p-d杂化形成形成共价键，这决定了合金的结构和相稳定性。魏志阳等人根据Heusler合金的结构特点提出了完全由过渡族金属元素组成的all-d-metal Heusler合金。并提出了预测：多电子的过渡族元素与少电子的过渡族元素会形成d-d满壳杂化，得到原子高度有序占位的稳定立方结构的Ni-Mn-Ti all-d-metal Heusler合金，并由实验证了这个预测。进一步地，Ni-Mn-Ti all-d-metal Heusler合金其母相是反铁磁耦合，通过在Ni位引入Co(Fe)等磁性元素可以建立母相的铁磁耦合，同时保持了其马氏体相的低饱和磁矩，成功实现了铁磁马氏体相变，成为新一类铁磁形状记忆合金。在这类合金中通过不同原子半径的元素替代可以调控合金的相变行为和磁热效应，使其能在较宽的温度范围内实现磁致冷。稀土元素就是一种很好的掺杂元素。在稀土元素中Pr、Nd、Dy、Tb等作为稀土永磁材料主要需求元素消耗巨大，导致高丰度、价格低廉的La、Ce、Y元素大量堆积，稀土元素利用严重失衡。高效开发和利用高丰度稀土或混合稀土已经成为了研究热点，对稀土资源平衡利用有重要的意义。在Ni-Co-Mn-Ti基合金中掺杂高丰度稀土元素R(La、Ce、Y)既可以调控相变、磁热效应以适应不同环境使用，又可以缓解当前稀土利用不平衡现状。合金中掺杂稀土元素可以调节其价电子浓度，从而调控相变温度、提高磁热效应。目前稀土价格昂贵且地壳含量较低，所以我们通过引入高丰度稀土元素R(La、Ce、Y)来进行调控。

本发明是在Ni-Co-Mn-Ti基材料中掺杂高丰度稀土元素R(La、Ce、Y)调控相变温度，增强材料磁热效应，同时提高高丰度稀土元素的利用率。

发明内容

为实现上述发明目的，提出一种磁制冷材料及其制备方法。

本发明通过以下技术方案实现：