CN101979722A - 具有低磁场巨磁热效应DyTiO3单晶材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
具有低磁场巨磁热效应DyTiO3单晶材料及其制备方法,它属于磁制冷材料领域。目的是为了提供一种具有良好的化学稳定性、较高的电阻率、较高的磁熵变、无热滞和磁滞、环境友好的具有低磁场巨磁热效应DyTiO3单晶材料及其制备方法。本发明单晶材料由Dy2O3、TiO2和Ti粉制成,制备方法:将Dy2O3烧结,将TiO2烘烤;将经过处理的Dy2O3、TiO2与Ti粉研磨后制成细棒,将细棒生长DyTiO3单晶,即得。本发明的DyTiO3钙钛矿单晶材料在磁场变化为1.5T下,最大磁熵变的绝对值达到8.10J/kg K;在磁场变化为1.5T下,DyTiO3钙钛矿单晶材料相对制冷能力RCP值达到123J/kg。
Description
技术领域
本发明涉及磁制冷材料技术领域,特别涉及一种具有低磁场巨磁热效应的单晶材料。
背景技术
在当今世界,制冷技术起着特别重要的作用,几乎涉及到低温工程、高能物理、石油化工、电力与交通、精密仪器仪表、计算技术、超导技术、航空航天、医疗器械、农业生产、食品储藏等科研、工业、农业以及日常生活的每一个领域。目前传统的制冷方式主要有三种:(1)利用高压气体绝热膨胀进行制冷;(2)利用半导体热电效应进行制冷;(3)利用物质相变进行制冷。传统制冷方式及其应用的制冷工质材料存在诸如效率低、价格昂贵、噪音高,且制冷工质材料对环境污染严重等弊病,特别是利用气体绝热膨胀产生的制冷方式,氟利昂制冷工质材料的大量应用,造成了大气环境污染以及地球臭氧层破坏,已成为国际性公害。自2000年起联合国出台蒙特利尔协议,氟利昂制冷剂将逐渐被禁用,新的气体制冷剂相继问世并已经商业化生产(如HFC-134a)。然而这些气体存在带来温室效应和价格昂贵的问题,并且气体压缩制冷机的卡诺循环效率已接近其技术极限,传统的制冷工业面临困境。因此,谋求一种新型、高效、节能、环保的制冷技术已经成为当今社会需要迫切解决的问题。
与传统制冷技术相比,磁制冷是以固体磁性材料为工质,具有对臭氧层无破坏作用、无温室效应、噪音低、体积小、可靠性和效率高(可达普通压缩气体制冷机的十倍)等优势,备受世界各国产业界和科技界的关注,是未来全新一代绿色环保型制冷技术。
磁制冷就是利用磁场,使制冷工作物质原子的自旋取向空间分布的有序度发生变化,引起磁熵变来实现的。当制冷物质绝热去磁时,温度降低;当制冷物质绝热磁化时,温度升高。也可以说,当制冷物质等温去磁时,吸收热量;等温磁化时,放出热量,这就是磁热效应,也称磁卡路里效应简称磁卡效应。磁熵是磁有序温度的表征,磁性物质只要其磁有序状态发生改变,就会导致磁熵发生变化,引起磁热效应。对于铁磁性物质,磁熵变的最大值发生在居里温度处。利用磁性物质的磁热效应达到制冷目的,是人们长期以来追求的目标。
在磁制冷技术中,关键是磁制冷材料的性能,其磁热效应的大小直接影响制冷机的制冷效率。要获得较大的磁熵变,有两条途径:一,需要非常高的外加磁场;二,磁制冷材料本身具有较强的磁热效应。其中,第一条途径可以采用超导磁体来解决,但超导磁体使磁制冷系统结构复杂、成本昂贵,成为磁制冷技术发展的制约因素。因此,比较可行的方法就是开发在居里温度附近具有较强磁热效应的磁制冷材料,以便在常规磁体能提供的磁场下就可以获得较高的磁熵变,以满足需要。
发明内容
本发明的目的是为了提供一种具有良好的化学稳定性、较高的电阻率、较高的磁熵变、无热滞和磁滞、环境友好的具有低磁场巨磁热效应DyTiO3单晶材料及其制备方法。
本发明具有低磁场巨磁热效应DyTiO3单晶材料由Dy2O3、TiO2和Ti粉按照1.5∶2∶1的摩尔比制成,所述具有低磁场巨磁热效应DyTiO3单晶材料是由镝、钛和氧构成的DyTiO3钙钛矿单晶材料。
具有低磁场巨磁热效应DyTiO3单晶材料的制备方法,其特征在于具有低磁场巨磁热效应DyTiO3单晶材料的制备方法如下:一、将Dy2O3在800℃烧结6~8小时,将TiO2在200℃烘烤4~5小时;二、将经过步骤一处理的Dy2O3、TiO2与Ti粉按照1.5∶2∶1的摩尔比混合后研磨1~2小时,得到混合均匀的粉末;三、将步骤二得到的粉末装入模具腔内压制成直径为6毫米的细棒,然后将细棒在生长速率为6~8mm/h、氢气与氩气的体积比为1∶3的Ar-H2混合气体中生长DyTiO3单晶,即得具有低磁场巨磁热效应DyTiO3单晶材料。
上述的Dy2O3纯度为99.99%,TiO2纯度为99.99%,Ti粉纯度为99.99%。
本发明具有的优点和技术效果:(1)本发明所采用的主要原料Ti和氧化物TiO2成本低廉,原料稀土金属在我国的储量很丰富。(2)本发明材料为单晶材料,成分均一,不存在晶粒边界,使得材料的磁熵变分布更为均匀,有利于磁制冷机的Ericson循环。(3)本发明材料具有二级磁性相变,M2随H/M的变化曲线的斜率为正值,具备此特征的材料没有热滞和磁滞,并且在外加磁场下磁性能稳定。(4)本发明材料在磁场变化为1.5T下,最大磁熵变值为8.10J/kg K。并且在磁熵变随温度变化的曲线上,最大磁熵变值和最大磁熵变值的一半对应的温度范围的乘积(相对制冷能力RCP)为123J/kg。(5)本发明材料在常规永磁体可以提供的磁场范围内,磁熵变、绝热温变和相对制冷能力大。(6)本发明材料抗氧化性和抗腐蚀性强。(7)本发明材料具有良好的化学稳定性和较高的电阻率,有利于减少热循环过程中的涡流损耗。(8)本发明材料不含有有毒元素,环境友好。
附图说明
图1是具体实施方式一中DyTiO3单晶材料在零场降温带场升温模式下测量的磁化强度随温度的关系曲线,代表DyTiO3单晶材料在0.01T磁场下的磁化强度随温度的关系曲线;图2是具体实施方式一中DyTiO3单晶材料的带场降温升温测量以及降温测量的磁化强度随温度的关系曲线(热滞回线),代表DyTiO3单晶材料在1T磁场下带场降温升温测量的磁化强度随温度的关系曲线,代表DyTiO3单晶材料在1T磁场下带场降温测量的磁化强度随温度的关系曲线;图3是具体实施方式一中DyTiO3单晶材料的磁滞回线,代表DyTiO3单晶材料在40K下的磁滞回线,代表DyTiO3单晶材料在50K下的磁滞回线,代表DyTiO3单晶材料在65K下的磁滞回线,代表DyTiO3单晶材料在80K下的磁滞回线,代表DyTiO3单晶材料在90K下的磁滞回线;图4是具体实施方式一中DyTiO3单晶材料的磁化曲线,代表DyTiO3单晶材料在50K下的磁化曲线,代表DyTiO3单晶材料在54K下的磁化曲线,代表DyTiO3单晶材料在58K下的磁化曲线,代表DyTiO3单晶材料在60K下的磁化曲线,代表DyTiO3单晶材料在62K下的磁化曲线,代表DyTiO3单晶材料在64K下的磁化曲线,代表DyTiO3单晶材料在66K下的磁化曲线,代表DyTiO3单晶材料在68K下的磁化曲线,代表DyTiO3单晶材料在70K下的磁化曲线,代表DyTiO3单晶材料在72K下的磁化曲线,代表DyTiO3单晶材料在74K下的磁化曲线,代表DyTiO3单晶材料在76K下的磁化曲线,代表DyTiO3单晶材料在78K下的磁化曲线,代表DyTiO3单晶材料在80K下的磁化曲线,代表DyTiO3单晶材料在82K下的磁化曲线,代表DyTiO3单晶材料在84K下的磁化曲线,代表DyTiO3单晶材料在86K下的磁化曲线,代表DyTiO3单晶材料在88K下的磁化曲线,代表DyTiO3单晶材料在90K下的磁化曲线;图5是具体实施方式一中DyTiO3单晶材料的Arrott曲线,其中横坐标为H/M,纵坐标为M2,代表DyTiO3单晶材料在50K下的Arrott曲线,代表DyTiO3单晶材料在54K下的Arrott曲线,代表DyTiO3单晶材料在58K下的Arrott曲线,代表DyTiO3单晶材料在60K下的Arrott曲线,代表DyTiO3单晶材料在62K下的Arrott曲线,代表DyTiO3单晶材料在64K下的Arrott曲线,代表DyTiO3单晶材料在66K下的Arrott曲线,代表DyTiO3单晶材料在68K下的Arrott曲线,代表DyTiO3单晶材料在70K下的Arrott曲线,代表DyTiO3单晶材料在72K下的Arrott曲线,代表DyTiO3单晶材料在74K下的Arrott曲线,代表DyTiO3单晶材料在76K下的Arrott曲线,代表DyTiO3单晶材料在78K下的Arrott曲线,代表DyTiO3单晶材料在80K下的Arrott曲线,代表DyTiO3单晶材料在82K下的Arrott曲线,代表DyTiO3单晶材料在84K下的Arrott曲线,代表DyTiO3单晶材料在86K下的Arrott曲线,代表DyTiO3单晶材料在88K下的Arrott曲线,代表DyTiO3单晶材料在90K下的Arrott曲线;图6是具体实施方式一中DyTiO3单晶材料在1.5T磁场下磁熵变随温度的关系曲线,代表DyTiO3单晶材料在1.5T磁场下磁熵变随温度的关系曲线;图7是具体实施方式一中DyTiO3单晶材料在不同磁场下磁熵变随温度的关系曲线,代表DyTiO3单晶材料在0.5T磁场下磁熵变随温度的关系曲线,代表DyTiO3单晶材料在1T磁场下磁熵变随温度的关系曲线,代表DyTiO3单晶材料在1.5T磁场下磁熵变随温度的关系曲线,代表DyTiO3单晶材料在2T磁场下磁熵变随温度的关系曲线,代表DyTiO3单晶材料在3T磁场下磁熵变随温度的关系曲线,代表DyTiO3单晶材料在4T磁场下磁熵变随温度的关系曲线,代表DyTiO3单晶材料在5T磁场下磁熵变随温度的关系曲线;图8是具体实施方式一中DyTiO3单晶材料的相对制冷能力随磁场改变的关系曲线,代表DyTiO3单晶材料的相对制冷能力随磁场改变的关系曲线。
具体实施方式
本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式,还包括各具体实施方式间的任意组合。
具体实施方式一:本实施方式中具有低磁场巨磁热效应DyTiO3单晶材料由Dy2O3、TiO2和Ti粉按照1.5∶2∶1的摩尔比制成,所述具有低磁场巨磁热效应DyTiO3单晶材料是由镝、钛和氧构成的DyTiO3钙钛矿单晶材料。
本实施方式中的DyTiO3钙钛矿单晶材料的M2随H/M变化的曲线的斜率为正值;在磁场变化为1.5T下,在磁熵变随温度变化的曲线上,最大磁熵变的绝对值达到8.10J/kg K;在磁场变化为1.5T下,本实施方式的DyTiO3钙钛矿单晶材料相对制冷能力RCP值达到123J/kg,其磁性相变是二级相变,其磁化强度随温度变化的曲线无热滞,随磁场变化的曲线无磁滞。
具体实施方式二:本实施方式与具体实施方式一不同的是所述的Dy2O3纯度为99.99%,TiO2纯度为99.99%,Ti粉纯度为99.99%。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式三:本实施方式中具有低磁场巨磁热效应DyTiO3单晶材料的制备方法如下:一、将纯度为99.99%的Dy2O3在800℃烧结6~8小时,将纯度为99.99%的TiO2在200℃烘烤4~5小时;二、将经过步骤一处理的Dy2O3、TiO2与Ti粉按照1.5∶2∶1的摩尔比混合后研磨1~2小时,Ti粉纯度为99.99%,得到混合均匀的粉末;三、将步骤二得到的粉末装入模具腔内压制成直径为6毫米的细棒,然后将细棒在生长速率为6~8mm/h、氢气与氩气的体积比为1∶3的Ar-H 2混合气体中生长DyTiO3单晶,即得具有低磁场巨磁热效应DyTiO3单晶材料。
本实施方式中使用物理性能测试系统(PPMS)的震动样品磁强计(VSM)选件测量本实施例DyTiO3单晶样品磁化曲线随温度的变化,如图1和图2所示。经过上述步骤制得的本实施例单晶样品,居里温度为65K,如图1所示,并且本实施例单晶样品具有二级相变特征,如图5所示。具备该特征的本实施例样品无热滞和磁滞,如图2和图3所示。在VSM选件上测定本实施例单晶样品的等温磁化曲线,如图4所示。根据Maxwell关系:可以从等温磁化曲线计算磁熵变。本实施例制备的DyTiO3单晶样品在1.5T磁场改变下磁熵变随温度的变化曲线如图6所示,从图中可知,对于本实施例单晶样品在1.5T磁场改变下,最大磁熵变为8.10J/kg K。其在永磁体可以达到的低磁场(1.5T)下的最大磁熵变相当于金属Gd(3.8J/kg K)的两倍多。本实施例单晶样品在0.5、1、1.5、2、3、4、5T磁场改变下的磁熵变随温度的变化曲线如图7所示,对应的最大磁熵变分别为3.79、6.24、8.10、9.64、12.15、14.20、15.88J/kg K。相对制冷能力RCP值由最大磁熵变绝对值和磁熵变曲线半峰高度处的温区宽度δTFWHM相乘得出:本实施例单晶样品不同磁场改变下的RCP值随磁场改变的曲线如图8所示。从图8中可知本实施例DyTiO3单晶样品在1.5T磁场改变下的RCP值为123J/kg,相比金属Gd(36.5J/kg)大很多。
具体实施方式四:本实施方式与具体实施方式三不同的是步骤一所述Dy2O3的纯度为99.99%,所述TiO2的纯度为99.99%。其它与具体实施方式三相同。
具体实施方式五:本实施方式与具体实施方式三不同的是步骤二所述Ti粉的纯度为99.99%。其它与具体实施方式三相同。
Claims (5)
1.具有低磁场巨磁热效应DyTiO3单晶材料,其特征在于具有低磁场巨磁热效应DyTiO3单晶材料由Dy2O3、TiO2和Ti粉按照1.5∶2∶1的摩尔比制成,所述具有低磁场巨磁热效应DyTiO3单晶材料是由镝、钛和氧构成的DyTiO3钙钛矿单晶材料。
2.根据权利要求1所述具有低磁场巨磁热效应DyTiO3单晶材料,其特征在于所述的Dy2O3纯度为99.99%,TiO2纯度为99.99%,Ti粉纯度为99.99%。
3.权利要求1所述具有低磁场巨磁热效应DyTiO3单晶材料的制备方法,其特征在于具有低磁场巨磁热效应DyTiO3单晶材料的制备方法如下:一、将Dy2O3在800℃烧结6~8小时,将TiO2在200℃烘烤4~5小时;二、将经过步骤一处理的Dy2O3、TiO2与Ti粉按照1.5∶2∶1的摩尔比混合后研磨1~2小时,得到混合均匀的粉末;三、将步骤二得到的粉末装入模具腔内压制成直径为6毫米的细棒,然后将细棒在生长速率为6~8mm/h、氢气与氩气的体积比为1∶3的Ar-H2混合气体中生长DyTiO3单晶,即得具有低磁场巨磁热效应DyTiO3单晶材料。
4.根据权利要求3所述的具有低磁场巨磁热效应DyTiO3单晶材料的制备方法,其特征在于步骤一所述Dy2O3的纯度为99.99%,所述TiO2的纯度为99.99%。
5.根据权利要求3所述的具有低磁场巨磁热效应DyTiO3单晶材料的制备方法,其特征在于步骤二所述Ti粉的纯度为99.99%。
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