[发明专利]具有磁热效应的稀土基块体非晶合金及其复合材料

说明书

技术领域

本发明属于凝聚态物理和材料科学领域，具体地说是涉及一种稀土基块体非晶合金及其复合材料。 

背景技术

随着低温凝聚态物理的发展和人类对环境问题日益重视，近十几年磁热效应在材料界、物理界和工程界都获得了广泛的关注。相对传统的气体压缩制冷，磁制冷具有高效节能，无环境污染，运行可靠，体积小，重量轻，噪音小等等一系列优点。因此，寻找高效的制冷材料成为很多材料学家和技术专家关注的问题。另一方面在材料领域，近十多年通过合金成分优化设计和制备技术的改进，人们突破了高速冷却条件的限制，找到了一系列具有更强的抑制结晶能力的非晶合金，即在低的冷却速率下，通过普通工艺方法如金属模铸造、水淬、遏制非均匀形核、定向凝固、粉末冶金、喷铸成形、压实成型等制备多种合金体系的块状非晶合金或金属玻璃。与传统的晶态合金材料相比，大块非晶合金具有优异的力学性能、良好的加工性能、优良的化学活性和磁学性能，因而受到广泛关注且已在民用及军事等许多领域得到应用。稀土作为重要的战略资源，由于其独特的光、电和磁性能，在医学、农业、冶金、化工、石油、环保及新材料等领域有广泛的应用。因此，稀土基块状非晶合金的开发及其功能特性的研究具有重要的研究意义和应用前景。通过对稀土基块体非晶磁热效应的系统研究，我们发现在2-150K的温度区间，稀土基块体非晶在较宽的温度区间都表现出较大的磁熵变，作为制冷材料与晶态材料相比具备独特的如下优势：其成分连续可调，涡流损耗小，良好的抗腐蚀性，制备方便等。并且这类材料拥有较宽的过冷区间和很好的玻璃形成能力，可以很方便地通过在过冷区间进行热处理得到纳米晶非晶的复合材料以进一步调控和改善合金的制冷区间和效率。 

发明内容

本发明的目的在于提供一稀土基块体非晶合金，其具有良好的玻璃形成能力，宽的过冷液相区，通过成分搀杂及热处理，可以用来制备在很宽的温区都拥有优异制冷效果的磁制冷材料。 

本发明的另一目的是在该块体非晶基础上，通过热处理，提供一种复合材料，其具有优异的磁热效应。 

本发明的目的是通过如下的技术方案实现的： 

本发明提供的稀土基块体非晶合金，其具有如下的化学式： 

                  RE_aR_bAl_cT_dM_e

其中，RE为选自Gd、Tb、Dy、Ho和Er中的一种或多种稀土元素； 

R为Y、Sc、Gd、Tb、Dy、Ho、Nd、Lu、Tm或Er，且不同于RE； 

T为Fe、Co、Ni或Zr； 

M为选自C、B、Si、Sc、Y、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Lu、Tm、Fe、Ni、Zr、Cr和Cu中的一种，作为少量的掺杂元素； 

a、b、c、d为原子百分比，30≤a≤60，0≤b≤30，20≤c≤25，15≤d≤25，0≤e≤5，且30≤a+b≤60和a+b+c+d+e＝100。 

在本发明的技术方案中，RE和R的适当组合一方面可以调制非晶形成能力，另外一方面可以调制材料磁转变的温度区间。 

本发明提供的稀土基块体非晶合金的制备方法，是通过选择适当的元素及控制其原子百分比，并使得其在较低的冷却速度(水冷)下制备出块体非晶，具体包括如下的步骤： 

1)母合金的制备：在钛吸附的氩气氛的电弧炉中，按前述化学式的原子配比将各组份熔炼4次以上，混合均匀，冷却后得到母合金铸锭； 

2)吸铸：使用常规的金属型铸造法，将步骤1)制得的母合金铸锭重新熔化，利用电弧炉中的吸铸装置，将母合金的熔体吸入水冷铜模，得到直径为2-5mm的非晶圆柱棒，即本发明的稀土基块体非晶合金。 

本发明提供的块体非晶合金的晶化温度在970～1070K左右，玻璃转变温度在580～670K左右，过冷液相区的宽度在50～80K之间。此外通过成分调制，其磁转变温度可在2-100K温度区间进行调制。 

本发明的系列非晶合金作为制冷材料的另一优势在于可以方便地通过热处理得到非晶基底的复合材料以进一步调控或改善合金的磁热效应。相比其他制备复合材料的方法，这种控制非晶晶化过程的方法拥有简单方便灵活的优点。