[发明专利]具有反常矫顽力温度系数和磁制冷能力的磁性材料及其制备方法

说明书

本发明属于磁性材料领域，具体涉及具有反常矫顽力温度系数和磁制冷能力的磁性材料及其制备方法。本发明的技术方案如下：具有反常矫顽力温度系数和磁制冷能力的磁性材料，由Mn、Sb、Sn三种元素组成，其化学式为Mn₂Sb_1‑xSn_x，其中x为0.1、0.2或0.3。本发明提供的具有反常矫顽力温度系数和磁制冷能力的磁性材料在100～250K范围内可作为磁制冷材料使用，在250K‑450K下随着温度升高，矫顽力逐渐增大，在此范围内可作为永磁材料使用。

技术领域

本发明属于磁性材料领域，具体涉及具有反常矫顽力温度系数和磁制冷能力的磁性材料及其制备方法。

背景技术

制冷技术在现代社会生活中扮演者越来越重要的作用。传统制冷技术主要是利用空气压缩制冷，不仅会产生氟利昂等气体破坏大气臭氧层，而且制冷效率低，能源消耗大。相较于传统制冷，磁制冷有着节能、高效、绿色环保、寿命长、可靠性高等优点。它是以磁性材料为工质的一种独特的制冷技术，其基本原理是利用磁制冷材料的磁热效应达到制冷的目的。根据相变类型，可分为一级磁制冷和二级磁制冷。最早是在稀土单质钆(Gd)中发现很大的磁热效应，但是由于二级磁相变在相变点附近磁化强度跳跃不剧烈，获得的磁热效应很小，实用价值较小，相较于二级磁相变，一级磁相变合金在相变点附近磁化强度变化更大，表现出大的磁热效应、磁电阻效应、磁致伸缩和磁致应变等丰富的物理性质，从而现已成为国内外广泛研究的重点。根据相变前后晶体结构是否发生改变，一级磁相变可以分为两类，一类是磁结构相变，这种情况下相变前后磁性和晶体结构同时发生改变，例如Gd₅(Si₂Ge₂)和MnNiGe:Fe系统；一类是磁弹性相变，这种情况下发生变磁相变前后晶体结构不发生变化，但是晶体参数会改变，例如MnFeP_0.45As_0.55和LaFe_11.4Si_1.6，在这种情况下，由于晶体结构不发生改变，一般显示出相对磁结构相变较小的热滞和磁滞现象，损耗较小，所以磁弹相变比前者应用更广泛。

由于Mn价格低而且磁矩高，以Mn基为中间化合物的一级磁相变材料正在被广泛研究。早期研究表明，根据计量数，Mn₂Sb在全温区均是Cu₂Sb类型的四方晶格，即发生变磁相变属于磁弹相变。晶胞中Mn原子有两个不同的位置，通常标为MnⅠ，MnⅡ。在T_N温度以下这两种Mn原子都已经发生了自发磁化，磁矩分别是2.1μB和3.9μB。Mn₂Sb的结构可以看作沿着四方轴，MnII-2MnI-MnII这样三层结构，沿着c轴重复堆垛起来的，但是MnⅠ和MnⅡ晶格之间的层间相互作用相对复杂：相邻的MnⅠ和MnⅡ层显示反平行耦合但相邻的MnⅡ和MnⅡ层相互平行，因此在Mn₂Sb基合金中得到亚铁磁结构。通过查阅文献，Sn元素取代部分Sb元素后会改变原子间距，产生晶格畸变，从而在低温下出现反铁磁态，随温度升高在外磁场作用下诱导发生反铁磁态到亚铁磁态的一级变磁相变，相变过程产生磁熵变。对样品施加等静压，理论上也可改变原子间距，促进晶格畸变的产生，但这种影响还是未知的。Mn₂Sb基合金由于性能优异，成本低廉，从而具有很好的应用前景。Mn₂Sb基中磁相变与占Mn位的原子间磁相互作用有关，通过施加等静压调控Mn-Mn间距进而调控Mn-Mn相互作用，将有可能实现对AFM-FIM相变的调控。目前，虽然有很多研究人员致力于这类合金的研究，但其制备方法和相关性能的研究仍处于不完全的阶段，有待人们继续深入研究，改进和提高它们的性能。同时，探索和发掘更多的一级磁相变合金以便于磁制冷的应用也是非常必要的。

磁体的应用很广，根据文献，大部分磁体由于随温度升高，矫顽力急剧下降，极大地限制了它在高温下的应用。近年来，随着航空航天、电动汽车、风力发电等技术的快速发展，对于磁体使用温度的要求也越来越高，这就需要提高高温下磁体的矫顽力。

发明内容