一種稀土鈀鎂低溫磁制冷材料及制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明屬于磁性功能材料技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種稀土鈀鎂RE4PdMg低溫磁制冷材料及制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]磁制冷材料是一種新型磁性功能材料，它是利用磁性材料的磁熵效應(yīng)(即magnetocaloric effect，又稱磁卡效應(yīng))實(shí)現(xiàn)制冷的一種無污染的制冷工質(zhì)材料。磁熵效應(yīng)是磁性材料的內(nèi)稟特性之一，其大小取決于磁性材料內(nèi)在的物理特性。磁制冷是利用外加磁場(chǎng)而使磁工質(zhì)的磁矩發(fā)生有序、無序的變化(相變)弓I起磁體吸熱和放熱作用而進(jìn)行制冷循環(huán)。通過磁制冷工質(zhì)進(jìn)入高磁場(chǎng)區(qū)域，放出熱量到周圍環(huán)境;進(jìn)入零/低磁場(chǎng)區(qū)域，溫度降低，吸收熱量達(dá)到制冷的目的；如此反復(fù)循環(huán)可連續(xù)制冷。磁制冷被認(rèn)為是一種“綠色”的制冷方式，不排放如氟利昂等任何有害氣體，有望代替現(xiàn)在正在使用的耗能大且有害環(huán)境的氣體壓縮制冷方式。與現(xiàn)有最好的制冷系統(tǒng)相比，磁制冷可以少消耗20?30%的能源，而且即不破壞臭氧層又不排放溫室氣體，而現(xiàn)在使用的冰箱和空調(diào)系統(tǒng)則正在成為全世界能源消耗的主體。目前，磁制冷主要應(yīng)用在極低溫和液化氦等小規(guī)模的裝置中。雖然諸多因素的限制使磁制冷技術(shù)的廣泛應(yīng)用尚未成熟，與傳統(tǒng)的氣體壓縮制冷相比，磁制冷具有熵密度高、體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無污染、噪聲小、效率高及功耗低等優(yōu)點(diǎn)，將成為未來頗具潛力的一種新的制冷方式。而取決于這一技術(shù)能否走出實(shí)驗(yàn)室，走進(jìn)千家萬戶的關(guān)鍵是尋找在寬溫區(qū)、低磁場(chǎng)條件下具有大磁熵變的磁致冷材料。
[0003]磁制冷技術(shù)的關(guān)鍵是尋找在寬溫區(qū)、低磁場(chǎng)條件下具有大磁熵變的磁致冷材料。按工作溫區(qū)劃分，磁制冷材料可以分為極低溫(4.2K以下)，低溫(4.2?20K)，中溫區(qū)(20?77K)和室溫區(qū)(300K附近)磁制冷材料。其中，目前低溫區(qū)磁制冷材料主要包括一些順磁金屬鹽和稀土金屬間化合物，但由于他們的磁熵變相對(duì)較小，使其商業(yè)應(yīng)用受到一定的限制。根據(jù)研究，RE4PdMg基化合物在其磁轉(zhuǎn)變溫度附近具有較大的可逆磁熵變，在低溫磁制冷領(lǐng)域具有一定的應(yīng)用前景。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種稀土鈀鎂RE4PdMg低溫磁制冷材料及制備方法，是一種在較寬溫區(qū)內(nèi)具有大磁熵變、可用于低溫磁制冷的磁性材料。
[0005]本發(fā)明的稀土鈀鎂低溫磁制冷材料，其化學(xué)通式為:RE4-Pd-Mg，RE為Ho、Er或Tm中的一種或兩種，按原子比RE:Pd:Mg = 4:1:1。
[0006]上述的稀土鈀鎂低溫磁制冷材料，具有GcURhIn型立方晶體結(jié)構(gòu);在O?5的磁場(chǎng)變化下，磁熵變值為14?16J/kg K，在O?7的磁場(chǎng)變化下，磁熵變值為17?21J/kg K。
[0007]本發(fā)明的稀土鈀鎂低溫磁制冷材料的制備方法，包括以下步驟:
[0008]步驟I，混料:
[0009]按照稀土鈀鎂低溫磁制冷材料成分，將稀土金屬、過渡金屬鈀和鎂，在Ar氣手套箱內(nèi)均勻混合成原料；
[0010]步驟2，惰性氣體封閉環(huán)境:
[0011]將原料置于石英容器內(nèi)，對(duì)石英容器抽真空，石英容器內(nèi)的壓力小于等于IX 10—2Pa后，充入0.76?0.84個(gè)大氣壓的惰性氣體，然后將石英容器封閉；
[0012]步驟3，燒結(jié):
[0013](I)將石英容器，以3?5°C/min的速度升溫至850?920°C，保溫10?20min;
[0014](2)以6?8°C/分鐘的速度降溫至650?720°C，保溫3?5小時(shí)；
[0015](3)將石英容器，自然冷卻至常溫；
[0016]步驟4，壓片成型:
[0017]在常溫、13?17Mpa壓力下，將原料壓片成型；
[0018]步驟5，封閉退火:
[0019](I)將成型后的材料放入石英管中，對(duì)石英容器抽真空，石英容器內(nèi)的壓力小于等于1X10—2Pa后，將石英管封閉；
[0020](2)將石英管，在660?700°C，退火36?48小時(shí)；
[0021 ] (3)將石英管，自然冷卻至常溫，制得成品。
[0022]其中:
[0023]所述步驟2中，惰性氣體為氬氣；
[0024]所述的步驟3中，燒結(jié)在垂直燒結(jié)爐中進(jìn)行。
[0025]本發(fā)明方法制備的稀土鈀鎂低溫磁制冷材料，磁熵變顯著，磁制冷能力高，磁轉(zhuǎn)變溫度及磁熵變最大值在5?40K溫度范圍內(nèi)隨成分變化連續(xù)可調(diào)。該磁制冷材料具有良好的磁、熱可逆性質(zhì)。本發(fā)明方法采用緩慢升溫、分步反應(yīng)的方法，有效地克服了 Mg的揮發(fā)。本發(fā)明方法相對(duì)工藝簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。
【附圖說明】
[0026]圖1本發(fā)明實(shí)施例1的Ho4PdMg稀土鈀鎂低溫磁制冷材料不同磁場(chǎng)變化下等溫磁熵變隨溫度的變化曲線圖；
[0027]圖2本發(fā)明實(shí)施例2的Er4PdMg稀土鈀鎂低溫磁制冷材料不同磁場(chǎng)變化下等溫磁熵變隨溫度的變化曲線圖；
[0028]圖3本發(fā)明實(shí)施例3的Tm4PdMg稀土鈀鎂低溫磁制冷材料不同磁場(chǎng)變化下等溫磁熵變隨溫度的變化曲線圖。
【具體實(shí)施方式】
[0029]實(shí)施例1
[0030]稀土鈀鎂低溫磁制冷材料，其化學(xué)通式為:RE4-Pd-Mg，RE為Ho，按原子比Ho: Pd: Mg= 4:1:1。
[0031 ]稀土鈀鎂低溫磁制冷材料的制備方法，包括以下步驟:
[0032]步驟I，混料:
[0033]按照稀土鈀鎂低溫磁制冷材料成分，將16.49g(0.1摩爾)稀土金屬鈥、2.66g(0.025摩爾)金屬鈀、6.489g( 0.025摩爾)金屬鎂，在Ar氣手套箱內(nèi)均勻混合成原料；
[0034]步驟2，惰性氣體封閉環(huán)境:
[0035]將原料置于石英容器內(nèi)，對(duì)石英容器抽真空，石英容器內(nèi)的壓力小于等于IX 10—2Pa后，充入0.76個(gè)大氣壓的氬氣，然后將石英容器封閉；
[0036]步驟3，燒結(jié):
[0037](1)將石英容器放入在垂直燒結(jié)爐中，以5°(:/1^11的速度升溫至9201€，保溫1min;
[0038](2)在垂直燒結(jié)爐中將石英容器，以8°C/min的速度降溫至720°C，保溫3h;
[0039](3)將石英容器，自然冷卻至常溫；
[0040]步驟4，壓片成型:
[0041 ]取出石英容器內(nèi)制品，在常溫、13Mpa壓力下，壓片成型；
[0042]步驟5，封閉退火:
[0043](I)將成型后的材料放入石英管中，對(duì)石英容器抽真空，石英容器內(nèi)的壓力小于等于1X10—2Pa后，將石英管封閉；
[0044](2)將石英管，在700°C，退火36小時(shí)；
[0045](3)將石英管，自然冷卻至常溫，制得成品。
[0046]本實(shí)施例制備的稀土鈀鎂HcnPdMg低溫磁制冷材料，具有GcURhIn型立方晶體結(jié)構(gòu)。經(jīng)測(cè)定其居里溫度TC為31K，在O?5和O?7T的磁場(chǎng)變化下，磁熵變最大值分別達(dá)到14.9J/kg K和18.6J/kg K0本實(shí)施例制備的稀土鈀鎂HcnPdMg低溫磁制冷材料不同磁場(chǎng)變化下等溫磁熵變隨溫度的變化曲線圖見圖1。
[0047]實(shí)施例2
[0048]稀土鈀鎂低溫磁制冷材料，其化學(xué)通式為:RE4-Pd-Mg，RE為Er，按原子比Er: Pd: Mg= 4:1:1。
[0049]稀土鈀鎂低溫磁制冷材料的制備方法，包括以下步驟:
[0050]步驟I，混料:
[0051 ] 按照稀土鈀鎂低溫磁制冷材料成分，16.73g(0.1摩爾)稀土金屬鉺、2.66g(0.025摩爾)金屬鈀、6.489g( 0.025摩爾)金屬鎂，在Ar氣手套箱內(nèi)均勻混合成原料；
[0052]步驟2，惰性氣體封閉環(huán)境:
[0053]將原料置于石英容器內(nèi)，對(duì)石英容器抽真空，石英容器內(nèi)的壓力小于等于IX 10—2Pa后，充入0.8個(gè)大氣壓的氬氣，然后將石英容器封閉；
[0054]步驟3，燒結(jié):
[0055](1)將石英容器放入在垂直燒結(jié)爐中，以3°(:/1^11的速度升溫至8801€，保溫18min;
[0056](2)在垂直燒結(jié)爐中將石英容器，以6°C/min的速度降溫至680°C，保溫4h;
[0057](3)將石英容器，自然冷卻至常溫；
[0058]步驟4，壓片成型:
[0059]取出石英容器內(nèi)制品，在常溫、15Mpa壓力下，壓片成型；
[0060]步驟5，封閉退火:
[0061](I)將成型后的材料放入石英管中，對(duì)石英容器抽真空，石英容器內(nèi)的壓力小于等于1X10—2Pa后，將石英管封閉；
[0062](2)將石英管，在680°C，退火42小時(shí)；
[0063](3)將石英管，自然冷卻至常溫，制得成品。
[0064]本實(shí)施例制備的稀土鈀鎂Er4PdMg低溫磁制冷材料，具有GcURhIn型立方晶體結(jié)構(gòu)。經(jīng)測(cè)定其居里溫度TC為21K，在O?5和O?7T的磁場(chǎng)變化下，磁熵變最大值分別達(dá)到15J/kgK和20.lj/kg K。本實(shí)施例制備的稀土鈀鎂EnPdMg低溫磁制冷材料不同磁場(chǎng)變化下等溫磁熵變隨溫度的變化曲線圖見圖2。