[發明專利]一種基于SPS技術的La-Fe-Si基室溫磁制冷復合材料及其制備方法

在審

• 申請號: 202010118902.0
• 申請日: 2020-02-26
• 公開（公告）號: CN111230112A
• 公開（公告）日: 2020-06-05
• 發明（設計）人: 鐘喜春;吳思夢;董旭濤;劉仲武;張輝;余紅雅;邱萬奇;焦東玲
• 申請（專利權）人: 華南理工大學
• 主分類號: B22F3/105
• 分類號: B22F3/105;B22F3/24;B22F1/00;C22C38/02;C22C38/10;H01F41/02;C09K5/14;B33Y10/00
• 代理公司: 廣州市華學知識產權代理有限公司 44245
• 代理人: 宮愛鵬

本發明公開了一種基于SPS技術的La?Fe?Si基室溫磁制冷復合材料及其制備方法，通過將La?Fe?Si基磁制冷材料粉末和Pr?Co合金粉末均勻混合，經放電等離子燒結成型，燒結溫度為850℃～1100℃，隨后通過封管熱處理制得磁制冷復合材料。本發明采用La?Fe?Si基化合物主相粉末顆粒(磁熱工質)和Pr?Co合金粉末顆粒(粘結劑)混合，較高的燒結溫度加熱粘結劑顆粒至熔融，填充主相顆粒之間空隙，降低了材料孔隙度，從而提高了復合材料的致密度，解決了La?Fe?Si材料脆性大，難成型的問題。同時，通過高溫擴散工藝，使得粘結劑中的Pr、Co合金元素擴散，制得的復合材料具有良好的磁熱效應。

技術領域

本發明涉及一種La-Fe-Si基室溫磁制冷復合材料，尤其涉及采用短時成型方法制備出具有高致密度、良好磁熱性能的塊體復合磁制冷材料及其制備方法。

背景技術

在社會發展以及工業化進程中，制冷技術發揮著不可替代的作用。但是目前普遍采用的氣體壓縮式制冷技術，存在制冷效率低(一般僅為卡諾循環的5～10％)、能耗大、產生溫室效應的缺點，磁制冷技術由于高效節能(效率可以達到卡諾循環的60％)、無環境污染、運行可靠等一系列優點，被認為是目前最有前途取代氣體壓縮制冷的綠色制冷技術。NaZn₁₃型La-Fe-Si基化合物由于其低成本、無毒性、居里溫度連續可調且具有大磁熵變，被認為是最具應用潛力的室溫磁制冷材料之一。

但是針對于應用的LaFe_13-xSi_x化合物還存在有以下缺點：1.成相困難，塊體LaFe_13-xSi_x化合物往往需要在1000℃以上熱處理幾天甚至一周，才能得到近單一的1:13相；2.居里溫度較低，LaFe_13-xSi_x(1.0≤x≤1.6)化合物的居里溫度普遍低于210K；3.磁體積效應，LaFe_13-xSi_x(1.0≤x≤1.6)化合物表現為一級磁相變，一級相變過程中通常伴隨著強磁體積效應(Strong magnetic volume effect)，同時會導致很大的熱滯和磁滯，而且在磁循環過程中會由于La(Fe,Si)₁₃基化合物的本征脆性導致裂紋的形成與擴展以及顯微結構完整性的退化，這對于實際應用十分不利；4.綜合性能不理想，LaFe_13-xSi_x材料機械加工性能不能滿足應用的需求。以上LaFe_13-xSi_x(1.0≤x≤1.6)化合物的缺點以及解決難度限制了其市場化應用的進程。

現階段對于LaFe_13-xSi_x磁制冷材料的主要改性方法是：1)通過甩帶工藝來提高LaFe_13-xSi_x材料的組織均勻性，進而縮短熱處理成相時間；2)通過改變組分、元素替代與摻雜、引入間隙原子等多種方式來調節和改善材料的磁性和磁熱效應；此外，借鑒粉末冶金工藝，混合其他高熱導、高塑性材料，通過放電等離子燒結工藝成型高致密度復合塊體材料。目前人們對于如何改善其成相或成型缺點已經取得了豐碩的成果，但是對于放電等離子燒結(Spark Plasma Sintering，簡稱SPS)這種短時制備復合塊體材料工藝，以及不同SPS燒結工藝對性能的影響少有報道，針對于可市場化應用，綜合性能優異的La-Fe-Si基室溫磁制冷復合材料的短時快速制備還沒有得到解決。

發明內容

本發明針對La-Fe-Si基磁制冷材料的居里溫度低、一級相變伴隨體積相變造成難以加工以及傳統制備方法生產周期長(幾天甚至一個月)的問題，提出了一種采用放電等離子燒結成型、隨后擴散熱處理以改善磁熱性能的方法。

本發明的目的可通過下述技術方案實現：