[发明专利]铕基ThCr2Si2结构的低温磁制冷材料及制备方法

说明书

技术领域

本发明属于材料学技术领域，涉及一种磁性功能材料，特别涉及一种用于磁制冷的铕基ThCr₂Si₂结构的材料及其制备方法。

背景技术

磁制冷材料是一种新型磁性功能材料，它是利用磁性材料的磁熵效应（即magnetocaloric effect，又称磁卡效应）实现制冷的一种无污染的制冷工质材料。磁熵效应是磁性材料的内禀特性之一，其大小取决于磁性材料内在的物理特性。磁制冷是利用外加磁场而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；如此反复循环可连续制冷。磁制冷被认为是一种“绿色”的制冷方式，不排放如氟利昂等任何有害气体，有望代替现在正在使用的耗能大且有害环境的气体压缩制冷方式。与现有最好的制冷系统相比，磁制冷可以少消耗20～30﹪的能源，而且即不破坏臭氧层又不排放温室气体，而现在使用的冰箱和空调系统则正在成为全世界能源消耗的主体。目前，磁制冷主要应用在极低温和液化氦等小规模的装置中。虽然诸多因素的限制使磁制冷技术的广泛应用尚未成熟，与传统的气体压缩制冷相比，磁制冷具有熵密度高、体积小、结构简单、无污染、噪声小、效率高及功耗低等优点，将成为未来颇具潜力的一种新的制冷方式。而取决于这一技术能否走出实验室，走进千家万户的关键是寻找在宽温区、低磁场条件下具有大磁熵变的磁致冷材料。

磁熵效应最早发现于1881年在Fe中发现。1933年Giauque和MacDougall成功的采取绝热磁化/退磁的方法使温度降至0.25K，因在磁制冷及相关领域的贡献，Giauque被授予1949年诺贝尔奖。对于磁制冷材料的研究热潮开始于20世纪90年代，美国宇航公司与美国国家能源部在Iowa大学所设的国家实验室合作，完成了第一台工作于室温附近的磁制冷电冰箱样机的试制。这台样机用稀土金属钆（Gd）为工作物质，超导磁体为磁场源。1997年，美国Iowa州立大学Ames实验室的Pecharscky等在Gd₅Si₂Ge₂合金中发现巨磁熵变效应。从而掀起了人们对各个温区具有巨磁熵变材料的探索和研究。按工作温区划分，磁制冷材料可以分为极低温（4.2K以下），低温（4.2-77K），中温区（77-273K）和室温区（300K附近）磁制冷材料。其中，目前低温区磁制冷材料主要包括Gd₃Ga₅O₁₂，GdLiF₄等顺磁金属盐和一些稀土金属间化合物，但由于他们的磁熵变相对较小，使其商业应用受到一定的限制。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种在较宽温区内具有大磁熵变、可用于低温磁制冷的铕基ThCr₂Si₂型晶体结构的磁性材料。

本发明的磁性材料的化学通式为：Eu-T-X，其中Eu为稀土金属铕，T为Fe、Cu中的一种或两种，X为P、As中的一种或两种；低温磁制冷材料中各物质的原子比为Eu：T：X=1:2:2；所述的低温磁制冷材料具有体心ThCr₂Si₂型四方晶体结构。

本发明的另一个目的是提供这种磁性材料的制备方法。

本发明的具体步骤是：

步骤(1).将稀土金属铕、过渡金属和非金属按照摩尔比1:2:2×（1.03～1.05）在Ar气手套箱内均匀混合成原料；

所述的过渡金属为Fe、Cu中的一种或两种的混合物；

所述的非金属为P、As中的一种或两种的混合物；

步骤(2).将原料置于石英容器内，对石英容器抽真空，石英容器内的压力小于等于2×10^-2Pa后将石英容器封闭；

步骤(3).将石英容器放到垂直烧结炉，以3～5℃/分钟的速度升温至400～450℃后保温5～10小时，然后以8～10℃/分钟的速度继续升温至800～900℃后保温5～10小时；

步骤(4).石英容器自然冷却至常温，取出石英容器内制品，在常温、10～15Mpa压力下压片成型；

步骤(5).在800～900℃下高温退火10～24小时，然后自然冷却至常温，制得成品。