本發(fā)明屬于磁制冷材料，具體包含一種具有三角阻挫結(jié)構(gòu)的磁制冷合金及其制備方法與應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、超低溫(<1k)已經(jīng)成為眾多前沿科學(xué)技術(shù)發(fā)展的必要條件。目前獲得超低溫的方式主要包括氦三吸附制冷、氦三-氦四稀釋制冷和絕熱退磁制冷(adr)。其中，adr由于高效、低能耗、不依賴重力和氦三的優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為在空間環(huán)境中應(yīng)用最廣泛的超低溫制冷技術(shù)。

2、adr是利用磁性材料的磁熱效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)冷卻，也即磁制冷材料的磁熱性能在adr中起著關(guān)鍵的作用。目前對(duì)于超低溫磁制冷材料的探索主要集中在具有弱磁相互作用的順磁鹽中。順磁鹽材料雖然比較容易獲得較大的磁熱性能，但由于磁相互作用的存在，使得系統(tǒng)中總是存在長程有序；另一方面，主流的磁制冷材料為氧化物，低的導(dǎo)熱性質(zhì)不利于磁制冷過程中的熱交換。因此，尋找一種同時(shí)滿足磁熱效應(yīng)大、有序溫度低且導(dǎo)熱性能優(yōu)異的磁制冷材料至關(guān)重要。

3、幸運(yùn)的是，研究者們發(fā)現(xiàn)了一種具有三角晶格的磁性材料體系，即磁阻挫體系。相對(duì)于傳統(tǒng)的順磁鹽，阻挫磁體中的局域磁矩之間由于競爭的磁相互作用不能同時(shí)被滿足，在系統(tǒng)的基態(tài)上出現(xiàn)大量的簡并態(tài)；同時(shí)，阻挫磁體中的自旋是高度關(guān)聯(lián)的，即使到了絕對(duì)零度依然存在很強(qiáng)的漲落，導(dǎo)致其在極低的溫度下都不存在長程有序。因此，阻挫磁體具有同時(shí)滿足大的基態(tài)熵和低的磁有序溫度的潛力。另一方面，合金體系由于以電子導(dǎo)熱為主，其導(dǎo)熱性質(zhì)顯著優(yōu)于氧化物材料，從而更有利于獲得高的熱交換效率。因此，發(fā)展一種制備簡單、具有大的磁熱效應(yīng)的磁阻挫合金，對(duì)開發(fā)出緊湊型、小型化和集成化的商用磁制冷裝置有重要意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、發(fā)明目的：針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問題，本發(fā)明的第一個(gè)目的在于提供具有三角阻挫結(jié)構(gòu)的磁制冷合金。本發(fā)明的第二個(gè)目的在于提供具有三角阻挫結(jié)構(gòu)的磁制冷合金的制備方法。本發(fā)明的第三個(gè)目的在于提供一種利用如上所述的具有三角阻挫結(jié)構(gòu)的磁制冷合金在低溫磁制冷中的應(yīng)用。

2、本發(fā)明采用的技術(shù)方案：一種具有三角阻挫結(jié)構(gòu)的磁制冷合金，所述磁制冷合金的化學(xué)式為erpd2sb，其相變溫度在0.56k，本發(fā)明所述低溫磁制冷合金在相變溫度附近表現(xiàn)出大的磁熱效應(yīng)。

3、所述磁制冷合金在磁場變化為7t時(shí)，最大磁熵變?yōu)?1.6j·kg-1·k-1(1.4k)。

4、所述磁制冷合金利用準(zhǔn)絕熱退磁制冷設(shè)備進(jìn)行測試，在初始磁場為6t、初始溫度為2k時(shí)，能達(dá)到的最低溫為0.255k。

5、所述具有三角阻挫結(jié)構(gòu)的磁制冷合金，至少包括以下(1)和(2)中的一項(xiàng)：

6、(1)所述磁制冷合金由單一的相組成，屬立方晶系，空間群為fm3m，晶胞參數(shù)為

7、(2)所述磁制冷合金中的er在結(jié)構(gòu)中構(gòu)成等邊三角形，且邊長為

8、本發(fā)明還提供一種具有三角阻挫結(jié)構(gòu)的磁制冷合金的制備方法，包括以下步驟：

9、步驟1：稱取相應(yīng)量的原料er、pd和sb放入高真空電弧爐的坩堝中，充入保護(hù)氣體，進(jìn)行熔煉；

10、步驟2：熔煉完成后將樣品用鉭片完全包裹，并密封在石英管中退火，制得所述低溫磁制冷合金。

11、在本發(fā)明中，通過簡單的熔爐和退火，使技術(shù)人員成功合成出erpd2sb低溫磁制冷合金，該合成方法工藝簡單、合成周期短，對(duì)反應(yīng)環(huán)境的要求更低，適合大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。

12、作為優(yōu)選，所述步驟1中，當(dāng)所述含er、pd和sb的摩爾比為1.01-1.05：2-2.02：1時(shí)，可減少目標(biāo)產(chǎn)物的雜相比例?？梢岳斫鉃椋鰁r、pd和sb的物質(zhì)的量之比包括但不限于1.01：2：1、1.02：2：1、1.03：2：1、1.04：2：1、1.05：2：1、1：2.01：1、1：2.02：1。

13、作為優(yōu)選，所述步驟1中，所述保護(hù)氣體為氬氣。

14、作為優(yōu)選，所述步驟1中熔煉時(shí)壓強(qiáng)參數(shù)為0.5pa，電流參數(shù)為150a。

15、作為優(yōu)選，所述步驟2中，退火溫度為1123-1173k，退火的時(shí)間為3-5周。

16、本發(fā)明還請(qǐng)求保護(hù)所述低溫磁制冷合金在低溫磁制冷系統(tǒng)中的應(yīng)用。

17、所述的具有三角阻挫結(jié)構(gòu)的磁制冷合金應(yīng)用于低溫磁制冷時(shí)，先將所制備材料置于0.4-1.5k范圍的環(huán)境溫度中，設(shè)置環(huán)境磁場強(qiáng)度從7t降低到0t，從而讓磁制冷材料具有最大的磁熵變21.6j?kg-1k-1；再將所制備材料置于2k的初始環(huán)境溫度中，設(shè)置環(huán)境磁場強(qiáng)度從6t降低到0t，從而讓磁制冷材料具有最低的冷卻溫度0.255k。

18、有益效果：

19、本發(fā)明制備的具有三角阻挫結(jié)構(gòu)的磁制冷合金相變溫度為0.56k，通過準(zhǔn)絕熱退磁制冷的方式能達(dá)到0.255k的最低溫，有希望作為取代液氦制冷的超低溫區(qū)磁制冷材料進(jìn)行大規(guī)模應(yīng)用。

20、本發(fā)明選擇erpd2sb屬于合金，相對(duì)于氧化物磁制冷材料具有更優(yōu)異的導(dǎo)熱性質(zhì)，且具有較大的磁熱性能：在1.4k、磁場變化為7t時(shí)最大磁熵變達(dá)到了21.6j·kg-1·k-1，具有廣闊的應(yīng)用前景。

21、本發(fā)明提供的低溫磁制冷合金的制備方法為電弧熔煉法，制備工藝簡單，且制備周期較短，能源消耗較低，適合大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。將該低溫磁制冷合金應(yīng)用于磁制冷技術(shù)領(lǐng)域，不僅有利于我國低溫物理、太空探測、航空航天等技術(shù)的發(fā)展，而且有助于推動(dòng)我國稀土資源高值化利用，提升我國稀土產(chǎn)業(yè)競爭力和技術(shù)水平。

技術(shù)特征：

1.一種具有三角阻挫結(jié)構(gòu)的磁制冷合金，其特征在于：所述磁制冷合金的化學(xué)式為erpd2sb，其相變溫度在0.56k，在磁場變化為7t時(shí)，其最大磁熵變?yōu)?1.6j·kg-1·k-1；利用準(zhǔn)絕熱退磁制冷設(shè)備進(jìn)行測試，在初始磁場為6t、初始溫度為2k時(shí)，erpd2sb能達(dá)到的最低溫為0.255k；

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種具有三角阻挫結(jié)構(gòu)的磁制冷合金的制備方法，其特征在于：包括以下步驟：

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述一種具有三角阻挫結(jié)構(gòu)的磁制冷合金的制備方法，其特征在于：所述步驟1中，所述原料含er、pd和sb的摩爾比為1.01-1.05：2-2.02：1。

4.根據(jù)權(quán)利要求2所述一種具有三角阻挫結(jié)構(gòu)的磁制冷合金的制備方法，其特征在于：所述步驟1中，保護(hù)氣體為氬氣。

5.根據(jù)權(quán)利要求2所述一種具有三角阻挫結(jié)構(gòu)的磁制冷合金的制備方法，其特征在于：所述步驟1中熔煉的過程中壓強(qiáng)為0.5pa，電流為150a。

6.根據(jù)權(quán)利要求2所述一種具有三角阻挫結(jié)構(gòu)的磁制冷合金的制備方法，其特征在于：所述步驟2中，退火溫度為1123-1173k，退火的時(shí)間為3-5周。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種具有三角阻挫結(jié)構(gòu)的磁制冷合金的應(yīng)用，其特征在于：所述的一種具有三角阻挫結(jié)構(gòu)的磁制冷合金應(yīng)用于低溫磁制冷時(shí)，先將所制備材料置于0.4-1.5k范圍的環(huán)境溫度中，設(shè)置環(huán)境磁場強(qiáng)度從7t降低到0t，從而讓磁制冷材料具有最大的磁熵變21.6j·kg-1·k-1；再將所制備材料置于2k的初始環(huán)境溫度中，設(shè)置環(huán)境磁場強(qiáng)度從6t降低到0t，從而讓磁制冷材料具有最低的冷卻溫度0.255k。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種具有三角阻挫結(jié)構(gòu)的磁制冷合金及其制備方法與應(yīng)用，其化學(xué)式為ErPd<subgt;2</subgt;Sb，相變溫度為0.56K，在磁場變化為7T時(shí)，其最大磁熵變?yōu)?1.6J·kg<supgt;?1</supgt;·K<supgt;?1</supgt;(1.4K)；利用準(zhǔn)絕熱退磁制冷設(shè)備進(jìn)行測試，在初始磁場為6T、初始溫度為2K時(shí)，ErPd<subgt;2</subgt;Sb能達(dá)到的最低溫為0.255K。制備方法包括：1)稱取原料Er、Pd和Sb放入高真空電弧爐的坩堝中，充入保護(hù)氣體，進(jìn)行熔煉；2)熔煉完成后將樣品用鉭片完全包裹，并密封在石英管中退火，制得所述低溫磁制冷合金。本發(fā)明無需用到酸或堿等對(duì)環(huán)境存在嚴(yán)重污染的物質(zhì)，綠色環(huán)保優(yōu)勢顯著，并且制備工藝簡單、適用于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。

技術(shù)研發(fā)人員：王敦輝,陳祖華,張正明
受保護(hù)的技術(shù)使用者：杭州電子科技大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/17