[发明专利]一种具有旋转磁热效应的钕钴基磁制冷材料及其制备方法

说明书

本发明公开一种具有旋转磁热效应的钕钴基磁制冷材料及其制备方法。其化学式为NdCo_5‑xM_x,M是Si、Zr、Mn、Fe中的一种或者几种，x表示对应元素的原子含量，其中0<x≤1；并且，所述钕钴基磁制冷材料中包含CaCu₅型六方晶体结构的化合物，具有旋转磁热效应。与NdCo₅单晶磁制冷材料相比，该材料制备成本低，具有更高的自旋重取向温度，可满足在室温条件下的应用。

技术领域

本发明涉及磁制冷技术领域，具体涉及一种具有旋转磁热效应的钕钴基磁制冷材料及其制备方法。

背景技术

现代社会人类生活越来越离不开制冷技术，包括日常生活中所用的家用空调、冰箱、食品冷藏柜、汽车空调,以及中央空调、气体液化等。与传统气体压缩制冷技术相比，磁制冷技术在原理上可以实现理想循环，获得高效率制冷。同时，磁制冷采用磁性材料作为制冷工质，对环境无破坏作用，且具有噪音小、寿命长、可靠性好等显著优点，因而被誉为绿色制冷技术。

磁热效应是一种磁热力学现象，其中磁性材料的温度变化是由外部磁场的变化引起的。随着环境恶化和能源短缺，基于磁热效应的磁制冷，由于其高效节能和环境友好而备受关注。为了推进磁制冷技术的应用，寻找具有大磁热效应的材料非常重要。通常，磁热效应主要来源于磁性材料的交换作用能、磁各向异性能和磁弹作用能变化的贡献。在过去的几十年中，人们对磁热效应的研究主要集中于交换作用能和磁弹作用能的贡献，即与相变过程中磁有序-无序变化相关的热效应。目前，这类典型的磁制冷材料有Gd₅(Si_xGe_1-x)₄合金、NaZn₁₃结构的La(Fe_xSi_1-x)₁₃合金、六方结构的MnFePAs合金以及Heusler型铁磁形状记忆合金等。

据最近报道，一些具有强磁晶各向异性的单晶材料(如NdCo₅，TbMnO₃，HoMn₂O₅和DyMnO₃)具有较大的旋转磁热效应。并且，基于上述各向异性的磁制冷材料，一种新颖的旋转磁制冷技术也被提出。即：将磁工质在恒定磁场中旋转而不是将其移入和移出磁场，便可以获得大的磁热效应。与常规的磁制冷技术相比，该新型旋转磁制冷方式具有一定的优点，例如设备简单和紧凑，并且效率更高。

虽然NdCo₅单晶合金具有良好的旋转磁热效应，但在实际应用中其工作温度低于室温，需要将工作温度和旋转磁热效应都进一步提高，以满足室温磁制冷机的使用要求。另外，单晶制备工艺复杂、成本高，导致很多材料难以大量地获得单晶，阻碍了这种新型磁制冷技术的发展。相比而言，获得取向多晶材料更为简单和高效。因此，寻找大旋转磁热效应的多晶材料也逐渐成为研究的热点。

发明内容

针对上述技术现状，本发明旨在提供一种具有旋转磁热效应的钕钴基磁制冷材料，与NdCo₅单晶磁制冷材料相比，该材料成本低，能够提高自旋重取向温度，从而拓宽其使用温度范围，并能保持大的旋转磁热效应，满足在室温条件下的应用。

为了实现上述技术目的，本发明采用的技术方案为：一种具有旋转磁热效应的钕钴基磁制冷材料，其化学式为NdCo_5-xM_x，M是Si、Zr、Mn、Fe中的一种或者几种，x表示对应元素的原子含量，其中0<x≤1；并且，所述钕钴基磁制冷材料中包含CaCu₅型六方晶体结构的化合物。

作为优选，0.05≤x≤0.8，进一步优选为0.1≤x≤0.6，最优选为0.2≤x≤0.4。

本发明还提供一种制备上述具有旋转磁热效应的钕钴基磁制冷材料的方法，包括如下步骤：