[发明专利]一种提高镍锰镓纤维磁热性能的热处理方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种镍锰镓纤维的热处理方法。

背景技术

近年来，随着可持续发展思想的广泛提倡，环境问题得到了越来越多的关注。在制冷技术方面，传统的制冷技术大多采用氟利昂和氨等气体工质，使得环境遭到很大的污染和破坏，特别是氟利昂工质，严重破坏大气臭氧层，威胁人类的生存和安全。在这一问题的解决上，人们也致力于开发无氟气体工质，解决对臭氧层破坏的问题，然而大多数依然存在温室效应，仍然不能解决压缩制冷技术的巨大缺陷。近年来，一种名为“磁制冷”的技术得到了研究者们的广泛关注。磁制冷材料利用电子自旋系统磁熵变随外界磁场变化的原理，通过改变外界磁场达到吸热和放热目的。磁制冷材料具有的这种效应称为磁热效应，一般伴随一级结构相变或者二级磁相变产生较大的等温磁熵变(ST)或者绝热温变(Tad)。磁制冷具有熵密高、体积小、结构简单、噪音小、效率高及功耗低等特点，用其替代氟利昂等制冷材料用于电冰箱、冰柜、空调等制冷设备可以有效消除环境污染，具有非常重大的意义。在近几年的研究过程中发现，镍锰镓合金除了具有大的磁控形状记忆效应和磁感生应变以外，还具有较大的磁熵变，有望成为新型的磁制冷材料。

但是镍锰镓磁制冷材料仍然具有以下几方面的问题：1)磁熵变及制冷能力(工作区间)的协调。研究表明当镍锰镓合金一级相变与二级相变发生耦合时，即得到巨磁熵变，但是由于耦合时相变区间较窄，因此制冷能力也会随之下降；2)工作温度。对于民生实用性来说，制冷材料的工作温度位于室温附近或稍高于室温尤为重要，然而由于镍锰镓材料的居里温度大都稳定在90-100℃左右，因此如何协调磁熵变与工作温度之间的关系至关重要；3)滞后问题。镍锰镓材料往往伴随一级相变，一级相变滞后会导致在相变过程中产生热量，这种热量的产生会大大降低制冷的效率；4)散热问题。制冷过程中热量的有效散发至关重要；5)循环寿命。一般伴随一级相变的磁制冷材料由于在相变过程中发生体积的变化而较易在多次循环后发生材料的开裂与破坏，镍锰镓材料本征脆性，因此大块材料容易发生开裂失效；6)成型问题。一般实用器件都需要有一定的形状，然而大块镍锰镓材料的脆性往往限制其形状可塑性。一维镍锰镓纤维材料因其较小的尺寸，较大的比表面积以及具备塑形成任意形状的潜力而在问题3)-6)的解决方面具有优势。

发明内容

本发明是要解决现有镍锰镓大块材料在磁制冷过程中存在的滞后大、散热难以及镍锰镓合金磁热性能和制冷能力差的问题，提供一种提高镍锰镓纤维磁热性能的热处理方法。

针对磁制冷材料中存在的问题，本发明采用直径在35～80μm的镍锰镓纤维作为制冷工质，公开了一种针对于镍锰镓纤维材料的真空退火处理方法，该种退火处理方法可以通过形成成分的梯度分布，从而调节镍锰镓纤维相变温度区间与相变温度范围，同时有效提高材料的磁性能，达到在提高镍锰镓纤维磁热性能的基础上同时增加制冷工作区间，提高制冷能力的效果。

本发明提高镍锰镓纤维磁热性能的热处理方法，按以下步骤进行：

一、制备合金铸锭：

根据相变温度范围的需求设计镍锰镓合金中各元素成分：根据①镍锰镓合金马氏体相变开始温度(M_s)与合金中各元素原子百分比之间的关系：M_s(K)＝(25.44*Ni(at.％)-4.86*Mn(at.％)-38.83*Ga(at.％)-273.15；②居里温度(T_c)基本保持在～95℃不随成分变化；③设计经验得知将镍锰镓合金制备成纤维并进行热处理后M_s将会上升～30℃左右；④最终设计需要T_c-M_s≈30℃，设计镍锰镓合金铸锭相变温度为35℃左右，成分设计为Ni_50.6Mn₂₈Ga_21.4(数字代表原子百分比)，按照各元素组分的含量配制原料，然后采用真空熔炼炉熔炼制备得到镍锰镓合金铸锭；

二、制备合金纤维：

A、将合金铸锭使用电火花线切割成高度8～10mm的圆柱，浸入丙酮中超声波清洗去除表面油污，放入干燥箱中120℃干燥2h后取出；

B、将清洗干燥后铸锭放入熔体纺丝设备的坩埚中，然后将腔体抽真空至0.5～5×10^-3Pa后充入高纯氩气，再抽真空至0.5～5×10^-3Pa，然后再充入高纯氩气，如此重复3～4次，最终使得腔体中为35～65MPa高纯氩气；