[发明专利]一种镨钴基合金磁制冷材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种镨钴基合金磁制冷材料，原料是Pr、Co和Mn以满足化学式Pr(Co_1‑xMn_x)₂的摩尔比配比，所述化学式Pr(Co_1‑xMn_x)₂的x取值范围为0.0~0.12，经熔炼和退火处理制得，具有MgCu₂型立方单相结构，并且为二级相变材料。其制备方法包括步骤：1）镨钴基合金磁制冷材料的熔炼；2）镨钴基合金磁制冷材料的退火处理。作为磁制冷材料的应用时，该合金的磁熵变值和相对制冷量在0~5 T磁场下分别为10.66 J/kg·K和172.43 J/kg，可作为磁制冷工质应用在磁制冷装置中。本发明的优点在于，作为二级相变材料，具有较宽的居里温度、工作温区及较高的磁熵变值和相对磁制冷量，能有效的避免一级相变材料带来的热滞问题，制备方法简单，使得该磁制冷材料具有潜在的应用价值。

技术领域

本发明涉及一种磁制冷领域中的合金磁制冷材料，具体涉及一种具有巨磁熵变的镨钴（PrCo₂）基合金磁制冷材料及其制备方法与应用。

背景技术

磁制冷技术是利用固体磁性材料的磁热效应（MCE）来制冷的一种绿色新技术。磁制冷是利用外加磁场使磁工质的磁矩发生有序、无序的变化（相变）引起磁体吸热和放热作用而进行制冷循环。通过磁制冷工质进入高磁场区域，放出热量到周围环境；进入零/低磁场区域，温度降低，吸收热量达到制冷的目的；如此反复循环可持续制冷。与传统的压缩气体膨胀制冷技术相比，磁制冷技术具有如下优点：（1）不使用氟利昂、氨等制冷剂，无环境污染；（2）磁制冷具有熵密度高、体积小、结构简单、无污染、噪声小、效率高等环境友好等优点。因而该制冷技术得到全世界的广泛关注。

磁制冷技术的关键是寻找宽温区、同时在低磁场条件下具有大磁熵变和小热滞的磁制冷材料。近年来研究开发新的磁制冷材料也很多，通常为具有相结构转变特征的一级相变材料，如(Mn,Fe)₂(P,Si)、Gd₅(Si,Ge)₄、MnAs等，一级相变材料虽然具有熵变高的特点，但同时具有较小的半峰宽和较大的热滞，因此在制冷可调温宽和磁热效应的利用方面很难在商业中得到应用。相应的，二级相变材料因为相变温区宽、热滞小、宜加工等优点逐渐引起人们更多的兴趣。与一级相变材料相比，二级相变材料在其磁转变温度附近只发生磁结构转变，而没有发生相结构转变，几乎无磁滞和热滞损失，非常有利于提高磁制冷效率。针对工作温度，一般使用的磁制冷材料主要集中在三个温区范围内：（1）低温区，主要是指20K以下的区域，它们是利用磁卡诺循环进行制冷，其工质材料处于顺磁性状态。（2）中温区，主要是指20~80 K之间的温度范围。在这一温区主要集中研究了RAl₂、RNi₂型材料及一些重稀土元素单晶多晶材料。（3）高温区，主要是指80 K以上的温区，研究主要集中在利用磁埃里克森循环进行制冷，制冷工质也处于铁磁状态，这种工质包括重稀土及合金，稀土-过渡族金属化合物，过渡金属及合金钙钛矿化合物等。

目前，中温区的磁制冷材料大多为一级相变材料，如RAl₂（R=Ho，Er，Dy）及其衍生化合物等，居里温度为T_C=10~50 K，在外磁场0~5 T变化条件下，磁熵变ΔS_M约为6~6.6 J/(mol·K)，由于它们的磁熵变相对较小，或是转变温度过低，使其商业应用受到一定的限制。目前，根据我们实验研究MgCu₂型立方单相结构的镨钴基合金材料，发现其是一种二级相变磁制冷材料，在宽的温区（10~105 K）之间表现出大的磁熵变，而且在磁转变温度附近无磁滞、热滞小、相变温区宽，非常有利于提高磁制冷效率，加之其原料价格相对低廉、居里温度可在较宽的温度范围内调节等优势，这使得镨钴基合金在磁制冷领域具有潜在的应用前景。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有巨磁熵变的镨钴基磁制冷材料及其制备方法，以克服现有技术中的不足；