[发明专利]含B的磁热材料

说明书

一种通式(I)的磁热材料：(Mn_xFe_1‑x)_2+u P_1–y‑zSi_yB_z，其中0.25≤x≤0.55，0.25≤y≤0.65，0<z≤0.2‑0.1≤u≤0.05，和y+z≤0.7。

技术领域

本发明涉及具有大的磁热效应(MCE)的材料，更精确地涉及结合了大的熵变、大的绝热温度变化、有限的滞后和优异的机械稳定性的那些材料；本发明还涉及用于制备/生产这种材料的方法。

背景技术

对于磁性材料，磁相变通过在熵对温度的曲线中的异常而表现出它们来，亦即，通过熵增而表现出来。由于磁相变对外部磁场的应用的固有敏感性，可能通过磁场变化使得这种熵异常在温度上位移。根据场改变是否在等温或绝热条件下进行，该效应被量化为熵变(ΔS)或绝热温度变化(ΔT_ad)，并被称为磁热效应(MCE)。对于在居里温度(T_C)附近的铁磁性化合物，增加磁场导致熵异常向更高的温度位移，所得的MCE因此为负的熵变和正的温度变化。可以通过磁场变化或通过温度变化来诱导磁相变。

使用磁热效应的系统覆盖宽范围的实际应用，从其中机器将热能转化成磁功的热磁设备，到其中磁功被用于从冷源传送热能至热井(反之亦然)的热泵。前一类型包括在第二步骤中使用磁功的装置：用以发电(通常称为热磁、热电和热力磁(pyromagnetic)发电机)或用以产生机械功(例如热-磁电机)。而后一类型对应于磁制冷机、热交换器、热泵或空调系统。

对于所有这些装置，最为重要的是优化装置的核心，MCE材料，其也被称为磁热材料。根据场应用是否在等温或绝热条件下进行，该MCE分别被量化为熵变(ΔS)或温度变化(ΔT_ad)。通常仅仅考虑ΔS，但是由于没有直接关系关联这两个量，没有理由优选仅仅一个参数，因此，需要同时优化两者。

所有前文援引的MCE应用具有循环特性，即，磁热材料频繁经过磁相变，因此，当施加场或温度振荡时保证MCE的可逆性是重要的。这意味着，必须将能够在MCE附近发生的磁场或热滞后保持在低水平。

从实际应用的观点来看，为了允许大规模应用，MCE材料必须由可大量获得、不贵且不被归类为有毒的元素形成。

对于使用由施加磁场变化引起的MCE的应用，MCE必须优选通过磁场变化获得，所述磁场变化约为能够由永磁体提供的大小，如ΔB≤2T，更优选ΔB≤1.4T。

应用的另一实际要求涉及材料的机械稳定性。事实是最有吸引力的MCE材料利用在第一级转变出现的磁化中的不连续变化。然而，第一级转变导致其他物理参数(在具有晶体结构的固体材料的情况下，所述其他物理参数包括晶胞)的不连续性。这种转变的“结构性”部分给出了多方面的改变：对称性破坏，晶胞体积变化或各向异性的晶胞参数的变化等。对于块状多晶样品的稳定性而言，最引人注目的参数被证明是晶胞体积变化。在热或磁场循环过程中，由体积变化引起的应变导致块状件的断裂或破坏，这可能严重妨碍这些材料的适用性。因此，具有在第一级转变的零体积变化为用以确保良好的机械稳定性的第一步骤。

US 7,069,729提出了通式MnFe(P_1-xAs_x)、MnFe(P_1-xSb_x)和MnFeP_0.45As_0.45(Si/Ge)_0.10的磁热材料，其通常不符合毒性条件。

US 8,211,326公开了通式MnFe(P_wGe_xSi_z)的磁热材料，其包括不适合用于大规模应用的临界元素(Ge，稀缺且昂贵)。