[發明專利]具有大磁熱效應的稀土-鎳-硅材料的制備方法和用途

有效

• 申請號: 201210484516.9
• 申請日: 2012-11-23
• 公開（公告）號: CN102978422A
• 公開（公告）日: 2013-03-20
• 發明（設計）人: 張虎;沈保根;龍毅;吳劍峰;沈俊
• 申請（專利權）人: 北京科技大學
• 主分類號: C22C1/02
• 分類號: C22C1/02;C22C1/10;C09K5/14;H01F1/053
• 代理公司: 北京金智普華知識產權代理有限公司 11401
• 代理人: 皋吉甫

技術領域

本發明涉及磁性材料，特別涉及一種具有大磁熱效應的稀土-鎳-硅材料及其制備方法和在磁制冷技術中的用途。

背景技術

近年來，隨著近代能源的日益短缺以及環境保護意識的不斷增強，磁制冷技術受到了人們越來越多的關注。磁制冷是指以磁性材料為制冷工質的一種新型綠色環保的制冷技術，其基本原理是借助于磁制冷材料的磁熱效應，即指順磁體或軟鐵磁體在外磁場的作用下原子磁矩排列有序化，等溫磁化時磁性材料會放出熱量，同時磁熵減少；而在移去磁場時原子磁矩回到先前隨機狀態，磁性材料會吸收熱量同時磁熵增大。與傳統氣體壓縮制冷技術相比，磁制冷技術在原理上可以實現理想循環，獲得最大可能的效率。同時，磁制冷采用磁性材料作為制冷工質，對環境無破壞作用，且具有噪音小、壽命長、可靠性好等顯著優點。從環保、節能的角度看，磁制冷技術具有巨大的研究和發展潛力。而作為磁制冷技術的核心部分，高性能磁制冷材料的成功研發是磁制冷技術實用化以致商業化的關鍵。鑒于此，尋找新型磁性材料、研究其磁熱效應成為目前世界各國材料研究領域的一個熱點。

最初應用于磁制冷技術的材料是一些弱磁性的順磁物質，主要用于獲得接近OK的超低溫(mK-μK)。1933年，Giauque和MacDougall以Gd₂(SO₄)₃·8H₂O為工質進行了絕熱退磁的實驗，并獲得了0.25K的超低溫。目前，磁制冷技術已成為現代低溫物理不可或缺的技術手段。同時，低溫磁制冷技術可以液化氦氣和氮氣，供工業和民用，還能夠液化氫氣，制備清潔無污染的環保燃料。因此，低溫磁制冷材料的研究受到國內外研究機構及產業部門的極大關注。通常，表征磁制冷材料磁熱效應的主要參數包括磁熵變（ΔS）和磁制冷能力（RC），材料的磁熵變一般在相變溫度附近出現最大值，材料的ΔS和RC值越大，其制冷效率就越高。目前，在低溫區研究發現的磁制冷材料主要包括稀土元素單晶、多晶材料（如Nd、Er和Tm）及稀土金屬間化合物（如DyNi₂、Tb₂PdSi₃、GdPd₂Si和(Gd_0.2Er_0.8)NiAl）等。但這些材料的磁熱效應和磁制冷能力仍不是很高，且其中具有一級磁性相變的磁制冷材料（如ErCo₂）通常伴隨著明顯的熱滯及磁滯現象，從而導致磁制冷材料在循環過程中制冷率下降。

鑒于以上研究背景以及磁制冷技術實際應用的需要，近年來，尋找具有可逆大磁熱效應和高磁制冷能力的磁制冷材料已成為磁制冷材料研究領域的新熱點。

發明內容

本發明的目的在于提供一種具有可逆大磁熱效應、高制冷能力的用于磁制冷的稀土-鎳-硅材料的制備方法，本發明的再一個目的在于提供所述用于磁制冷的稀土-鎳-硅材料的用途。

本發明的目的是通過以下技術方案實現的：

一種制備具有大磁熱效應的稀土-鎳-硅磁制冷材料的方法，所述磁制冷材料為以下通式的化合物：RNiSi，其中R為稀土元素，其特征在于：所述方法包括如下步驟：

1）稱取原料R和Ni、Si并混合；

2）將步驟1）配置好的原料放入熔煉爐中，熔煉爐抽真空后用氬氣清洗，之后在氬氣保護下對所述配置好的原料進行熔煉；

3）將步驟2）熔煉好的物料進行真空退火處理，之后取出快速冷卻。

優選地，在步驟1）中，所述原料R和Ni、Si的物質的量之比為RNiSi化學式中的原子比。

優選地，R按其在所述化學式中原子比的2～5％過量添加，更優選地，R按其在所述化學式中原子比的2～3％過量添加。

優選地，在步驟2）中，所述抽真空達到的壓力為3×10^-3Pa或小于3×10^-3Pa；所述熔煉的溫度為1300°C以上；所述熔煉的時間為0.5～10分鐘。

更優選地，在步驟2）中，所述抽真空達到的壓力為2×10^-3～3×10^-3Pa；所述熔煉的溫度為1300～1700°C；所述熔煉的時間為2～3分鐘。

優選地，在步驟3）中，所述真空退火的溫度為600～1100°C；所述真空退火的時間為3～30天。

更優選地，在步驟3）中，所述真空退火的溫度為700～900°C；所述真空退火的時間為5～15天；所述快速冷卻方式為淬入液氮或冰水中。