[发明专利]用于磁制冷的稀土-铝材料及其制备方法和用途

说明书

技术领域

本发明涉及磁性材料，特别涉及一种用于磁制冷的稀土-铝材料及其制备方法和用途。

背景技术

近年来，随着人们对环境保护的日益重视，利用氟制冷剂的传统制冷技术因其对气候环境的破坏，已无法满足现代社会的需求。磁制冷是借助于磁性材料的磁热效应(Magnetocaloric effect，MCE)，即磁制冷材料等温磁化时向外界放出热量，绝热退磁时从外界吸收热量，从而达到制冷的目的。与传统气体压缩制冷技术相比，磁制冷采用磁性材料作为制冷工质，具有对环境无破坏作用、噪音小、寿命长、可靠性好和效率高(可达30％～60％)等显著优点，被誉为高新绿色制冷技术。而作为磁制冷技术的核心部分，高性能磁制冷材料的成功研发是磁制冷技术实用化以致商业化的关键。因此，寻找新型磁性材料、研究其磁热效应已成为世界各国竞相研究的热点问题。

表征磁制冷材料磁热效应的主要参数包括磁熵变(ΔS)和磁制冷能力(RC)，通常，材料的磁熵变一般在相变温度附近出现最大值，材料的ΔS和RC值越大，其制冷效率就越高。近年来，由于低温区是制备液化氢气、氦气的重要温区，高效率、小型化的氦液化装置的研究进一步促进了低温磁制冷机的迅速发展，目前低温磁制冷机已达到实用化的程度，同时这也使得该温区的磁制冷材料研究受到了特别的重视。目前，该温区研究比较成功的磁制冷工质主要是RAl₂、RNi₂等稀土-过渡族铁磁合金材料及一些重稀土元素单晶、多晶材料，而且RAl₂材料的复合化研究获得了较宽的工作温区。此外，为了便于天然气的储藏运输，通常需在低温下(110K以下)将其液化成液态，因此，对该温区磁制冷材料的研究也受到了极大的关注，目前已发现报道的材料如DyGa、NdFeAl、TbFeSi等，在磁场变化过程中表现出可逆的磁热效应，且其制冷温区较宽，因此具有较高的磁制冷能力。

鉴于以上研究背景以及磁制冷技术实际应用的需要，可以看出，寻找低温下具有可逆大磁熵变和高磁制冷能力的磁性材料是促进磁制冷技术发展应用的关键问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有可逆大磁熵变、高制冷能力的用于磁制冷的稀土-铝材料，本发明的另一个目的在于提供所述用于磁制冷的稀土-铝材料的制备方法，本发明的再一个目的在于提供所述用于磁制冷的稀土-铝材料的用途。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一方面，本发明提供了一种用于磁制冷的稀土-铝材料，所述材料为以下通式的化合物：R₃Al₂，其中，R为稀土元素，优选地，R为Gd、Tb、Dy、Ho和Er元素中的任意一种，或者R为Ho元素与Gd、Tb、Dy和Er元素中任意一种的组合。

进一步，所述材料具有Zr₃Al₂型四方晶体结构。

另一方面，本发明提供了一种制备用于磁制冷的稀土-铝材料的方法，其包括以下步骤：

1)称取原料R和Al并混合，其中，R为稀土元素，优选地，R为Gd、Tb、Dy、Ho和Er元素中的任意一种，或者R为Ho元素与Gd、Tb、Dy和Er元素中任意一种的组合；

2)将步骤1)配置好的原料放入电弧炉或感应加热炉中，抽真空，用氩气清洗，之后在氩气保护下熔炼；

3)将步骤2)熔炼好的物料真空退火处理，之后取出快速冷却。

进一步，在步骤1)中，所述原料R和Al的物质的量之比为R₃Al₂化学式中的原子比，优选地，R按2～5％的原子比过量添加，用于补偿其在制备过程中的挥发和烧损，从而获得单相，更优选地，R按2～3％的原子比过量添加。

进一步，在步骤2)中，所述抽真空达到的压力为3×10^-3Pa或小于3×10^-3Pa，优选为2×10^-3～3×10^-3Pa；所述熔炼的温度为1300℃以上，优选为1300～1700℃；所述熔炼的时间为0.5～10分钟，优选为2～3分钟。

进一步，在步骤3)中，所述真空退火的温度为600～1100℃，优选为800～950℃；所述真空退火的时间为3～30天，优选为5～15天。

更进一步，为了提高材料的磁制冷性能，在步骤3)中，所述冷却的方法为淬入液氮或冰水中。

再一方面，本发明还提供了所述磁制冷材料用作制冷材料的用途。