[发明专利]一种低温磁致冷用铒基大块非晶材料

说明书

技术领域

本发明属于功能材料中的磁致冷合金领域，涉及一种具有大的磁熵变及磁致冷能力的铒(Er)基大块非晶态合金材料。

背景技术

在致冷材料领域，氟利昂是人们所熟悉的致冷剂。但是根据联合国环境规划署于1987年9月签订的蒙特利尔协议，从2000年开始将逐步禁止氟利昂的生产和使用，使目前广泛应用的氟利昂压缩致冷面临困境。磁致冷作为一项高新绿色致冷技术，正引起世界各国的高度重视。磁致冷的基础是磁热效应，所谓磁热效应(Magnetocaloric Effect，MCE)，又称磁卡效应，是磁性材料的一种固有特性。磁卡效应的研究可以追溯到120多年前。1881年Warburg首先观察到金属铁在外加磁场中的热效应。它是由外磁场的变化引起磁性物质内部磁熵值的增减，从而引起磁性工质和环境间产生热交换。如果把绝热去磁引起的吸热过程和绝热磁化引起的放热过程用适当的循环连接起来，就可使磁工质不断从一处吸热而在另一处放热。再加以控制，使磁工质从低温热源吸热，向高温热源放热，就可以达到致冷的目的。这种以磁性材料为工质的致冷技术就是磁致冷。

与传统压缩致冷相比，磁致冷具有如下竞争优势：(1)无环境污染。由于工质本身为固体材料以及可用水来作为传热介质，消除了因使用氟利昂、氨及碳氢化合物等致冷剂所造成的破坏臭氧层、有毒、易泄漏、易燃和易爆等损害环境的缺陷；(2)高效节能。磁致冷的效率可达到卡诺循环的30～60％，而气体压缩一般为5～10％，节能优势明显；(3)易于小型化。由于磁工质是固体，其熵密度远远大于气体的熵密度，因而易于做到小型化；(4)稳定可靠。由于无需压缩机，运动部件少且转速缓慢，可大幅度降低振动和噪声，提高靠性高，便于维修。

目前磁致冷材料的研究开发受到了广泛的关注，但是主要的研究都集中在晶态材料和纳米晶材料。对于非晶态材料的磁热效应研究相对比较少。研究发现，在200K以上，非晶合金的性能比不上晶态材料，但是在200K以下，随着温度的下降，晶态材料的磁熵变变小，并且有可能出现负磁热效应，而非晶态合金在此温度范围内却具有大的磁熵变、宽的磁致冷温度范围和大的磁致冷能力。加上非晶合金具有高的电阻系数，可以避免产生涡流及相应的热量。因此，相比晶态材料，在200K以下，非晶合金是比较理想的磁致冷工质。

发明内容

本发明的目的是提供一种易于形成大块非晶的具有大的磁熵变和致冷能力的三元Er基合金。

一种低温磁致冷用铒基大块非晶材料，其化学成分为(原子百分比)：Er：55～65％；Al：14～24％；Co：18～28％。

在本发明所提出的Er基大块非晶磁致冷材料中，考虑到要使该合金能形成大块非晶合金，更要使该合金有大的磁熵变和磁致冷能力，因此，在Er₅₈Al₂₄Co₁₈大块非晶成分的基础上，通过调整三种组成元素的比例来改善合金的磁性能或磁致冷能力。其具体性能对比实施列表。

Er基大块非晶磁致冷合金在5T的外加磁场下至少具有相当于纯金属Er的磁熵变(|ΔS_M|，纯金属Er在6T的外加磁场下的磁熵变为7.17J kg^-1 K^-1)，并且该合金的致冷能力大于巨磁热效应材料Gd₅Si₂Ge₂(306J kg^-1)和Gd₅Si₂Ge_1.9Fe_0.1(360J kg^-1)，其使用上限温度比相近温度下商用Gd₃Ga₅O₁₂(即GGG)和Dy₃Al₅O₁₂(即DAG)(～20K)单晶要高出很多(Er基大块非晶材料上限使用温度可达40K)。

本发明的优点是：

1、通过调整元素组成，在改善合金体系磁熵变的同时，还能维持较大的非晶尺寸，并且适用温度范围相同。

2、由于非晶态材料具有高的电阻系数，因此该大块非晶合金可以避免或减少产生涡流及相应的热量，更有利于能量的利用。

3、该大块非晶合金不仅具有大的磁熵变，而且最大磁熵变一半所对应的温度范围也宽，这就导致了该大块非晶合金具有高的致冷能力。