CN103468224B - 一种稀土RPdIn材料在低温磁制冷中的应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种稀土RPdIn材料在低温磁制冷中的应用。本发明化学式为RPdIn（R=钬Ho、镝Dy或铽Tb）的稀土金属材料在低温区磁制冷方面的应用。该RPdIn材料具有ZrNiAl型晶体结构。本发明磁制冷用稀土RPdIn（R=钬Ho、镝Dy或铽Tb）材料不仅具有良好的磁、热可逆性质。在0～7T磁场变化下HoPdIn的等温磁熵变和磁制冷能力分别高达17.7 J/kgK和635 J/kg。本发明RPdIn（R=钬Ho、镝Dy或铽Tb）材料采用常规技术手段制备，该方法工艺简单、适用于工业化。

Description

一种稀土RPdIn材料在低温磁制冷中的应用
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，特别涉及一种稀土RPdIn（R=钬Ho、镝Dy或铽Tb）材料在低温区磁制冷方面的应用。
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热效应（即magnetocaloric effect，又称磁卡效应或磁熵效应）实现制冷的一种无污染的制冷工质材料。
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，它不仅不排放如氟利昂等任何有害气体，而且与现有最好的制冷系统相比可以少消耗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优异的磁制冷材料。
根据研究，稀土RPdIn（R=钬Ho、镝Dy或铽Tb）材料在各自磁转变温度附近部级具有较大的磁熵变和磁制冷能力，而且具有良好的磁、热可逆性质。在低温磁制冷领域具有一定的应用前景。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种稀土RPdIn（R=钬Ho、镝Dy或铽Tb）材料在磁制冷方面的应用。
本发明化学式为RPdIn的稀土金属材料在低温区磁制冷方面的应用，其中R为钬Ho、镝Dy或铽Tb。
所述的化学式为RPdIn的稀土金属材料具有ZrNiAl型晶体结构。
本发明磁制冷用RPdIn（R=钬Ho、镝Dy或铽Tb）材料不仅具有良好的磁、热可逆性质，在0～7T磁场变化下，对应于钬Ho、镝Dy和铽Tb(应该是HoPdIn、DyPdIn、TbPdIn)其等温磁熵变分别高达17.7、14.4和8.2J/kgK。因此RPdIn（R=钬Ho、镝Dy或铽Tb）材料可应用于中温区磁制冷方面。本发明RPdIn材料采用常规技术手段制备，该方法工艺简单、适用于工业化。
附图说明
图1为本发明HoPdIn材料在场冷（FC）和零场冷（ZFC）磁化强度随温度的热磁（M-T）变化曲线图；
图2为不同磁场变化下本发明HoPdIn材料的等温磁熵变随温度的变化曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的分析，但具体实施案例并不对本发明作任何限定。
实施例1.HoPdIn材料的制备及性能测定
步骤（1）.将16.49g（0.1摩尔）稀土金属钬Ho、10.64g（0.1摩尔）金属Pd和11.48g（0.1摩尔）金属In按照摩尔比1:1:1均匀混合成原料；将原料置于电弧炉内，对电弧炉抽真空，炉内的压力小于等于1×10-2Pa后，用体积纯度为99.9﹪的氩气清洗炉膛2次，然后充入氩气使炉内的压力达到0.98个标准大气压；
步骤（2）.将处理后的原料在电弧炉内通过电弧放电加热至完全融化，继续加热5～10秒后停止加热，自然冷却至常温，形成块状物；然后将块状物翻转后再次在熔炼容器内加热至完全融化，继续加热5～10秒后停止加热，自然冷却至常温，重复本步骤3次，熔炼得到成分均匀的合金铸锭；
步骤(3).将熔炼制得的合金铸锭密封在真空度小于等于1×10-3Pa的石英容器中，在800℃高温下退火处理72小时；
步骤(4).将密封的石英容器取出，在冰水中快速冷却至常温，制得成品。制得的成品经X射线衍射证实为HoPdIn单相材料，该材料为ZrNiAl型晶体结构。
步骤(5).在美国量子设计公司生产的物性测量系统（PPMS-9）的振动样品磁强计（VSM）测量附件上测定的上述实施例1制得的HoPdIn材料的热磁（M-T）曲线如图1所示。从M-T曲线中可以确定HoPdIn材料的磁转变温度为23K。
步骤(6).在物性测量系统（PPMS）的振动样品磁强计测量（VSM）附件上测定的实施例1制备得到的HoPdIn材料在相变温度附近的等温磁化（M-H）曲线。利用公式：，计算出在不同磁场变化下的等温磁熵变。经计算得到的等温磁熵变-ΔSM与温度T的关系见图2。实施例1制备得到的HoPdIn材料在0～5T和0～7T的磁场变化下，其等温磁熵变最大值分别达到14.5J/kgK和17.7J/kgK。
步骤(7).磁制冷材料另一个重要参数为磁制冷能力RC，磁制冷能力RC等于ΔSM(T)曲线的半高宽δTFWHM乘以磁熵变最大值ΔSM max，计算得出实施例1制备得到的HoPdIn材料在0～5T和0～7T的磁场变化下，钬HoPdIn材料的磁制冷能力高达496J/kg和635J/kg。
由图1、图2可知，实施例1制备得到的HoPdIn材料在23K温度部级具有较大的磁熵变和磁制冷能力，而且具有良好的磁、热可逆性质。磁制冷材料的低温区范围为6～25K，因此可知实施例1制备得到的HoPdIn材料在低温磁制冷领域具有一定的应用前景。
实施例2.DyPdIn材料的制备及性能测定
步骤（1）.将16.25g（0.1摩尔）稀土金属镝Dy、10.64g（0.1摩尔）金属Pd和11.48g（0.1摩尔）金属In按照摩尔比1:1:1均匀混合成原料；将原料置于电弧炉内，对电弧炉抽真空，炉内的压力小于等于1×10-2Pa后，用体积纯度为99.9﹪的氩气清洗炉膛3次，然后充入氩气使炉内的压力达到0.98个标准大气压；
步骤（2）.将处理后的原料在电弧炉内通过电弧放电加热至完全融化，继续加热5～10秒后停止加热，自然冷却至常温，形成块状物；然后将块状物翻转后再次在熔炼容器内加热至完全融化，继续加热5～10秒后停止加热，自然冷却至常温，重复本步骤2次，熔炼得到成分均匀的合金铸锭；
步骤(3).将熔炼制得的合金铸锭密封在真空度小于等于1×10-3Pa的石英容器中，在750℃高温下退火处理60小时；
步骤(4).将密封的石英容器取出，在冰水中快速冷却至常温，制得成品。制得的成品经X射线衍射证实为DyPdIn单相材料，该材料为ZrNiAl型晶体结构。
步骤(5).在PPMS-9的振动样品磁强计（VSM）测量附件上测定的上述方法制得的DyPdIn材料的热磁（M-T）曲线可以确定DyPdIn材料的磁转变温度为35K。
步骤(6).利用公式：计算出在不同磁场变化下的等温磁熵变。实施例2制备得到的DyPdIn材料在0～5T和0～7T的磁场变化下，其等温磁熵变最大值分别达到12.3J/kgK和14.4J/kgK，对应的磁制冷能力为434J/kg和562J/kg。
实施例2制备得到的DyPdIn材料在35K温度部级具有较大的磁熵变和磁制冷能力，而且具有良好的磁、热可逆性质。该DyPdIn材料的磁转变温度在磁制冷材料的低温区范围，因此可知实施例2制备得到的DyPdIn材料在低温磁制冷领域具有一定的应用前景。
实施例3.TbPdIn材料的制备及性能测定
步骤（1）.将15.89g（0.1摩尔）稀土金属Tb、10.64g（0.1摩尔）金属Pd和11.48g（0.1摩尔）金属In按照摩尔比1:1:1均匀混合成原料；将原料置于电弧炉内，对电弧炉抽真空，炉内的压力小于等于1×10-2Pa后，用体积纯度为99.9﹪的氩气清洗炉膛4次，然后充入氩气使炉内的压力达到0.96个标准大气压；
步骤（2）.将处理后的原料在电弧炉内通过电弧放电加热至完全融化，继续加热5～10秒后停止加热，自然冷却至常温，形成块状物；然后将块状物翻转后再次在熔炼容器内加热至完全融化，继续加热5～10秒后停止加热，自然冷却至常温，重复本步骤4次，熔炼得到成分均匀的合金铸锭；
步骤(3).将熔炼制得的合金铸锭密封在真空度小于等于1×10-3Pa的石英容器中，在850℃下高温下退火处理70小时；
步骤(4).将密封的石英容器取出，在冰水中快速冷却至常温，制得成品。制得的成品经X射线衍射证实为TbPdIn单相材料，该材料为ZrNiAl型晶体结构。
步骤(5).在PPMS-9的振动样品磁强计（VSM）测量附件上测定的上述方法制得的TbPdIn材料的M-T曲线可以确定TbPdIn材料的磁转变温度为68K。
步骤(6).利用公式：计算出在不同磁场变化下的等温磁熵变。实施例2制备得到的TbPdIn材料在0～5T和0～7T的磁场变化下，其等温磁熵变最大值分别达到6.5J/kgK和8.2J/kgK，对应的磁制冷能力为398J/kg和554J/kg。
实施例3制备得到的TbPdIn材料在68K温度部级具有较大的磁熵变和磁制冷能力，而且具有良好的磁、热可逆性质。该TbPdIn材料的磁转变温度在磁制冷材料的低温区范围，因此可知实施例2制备得到的TbPdIn材料在低温磁制冷领域具有一定的应用前景。

Claims (1)

1.一种稀土HoPdIn材料在低温磁制冷中的应用，其特征在于稀土HoPdIn金属材料在低温区磁制冷方面的应用；该稀土HoPdIn材料具有ZrNiAl型晶体结构；该稀土HoPdIn材料通过以下步骤制备而成：
步骤(1)、将稀土金属钬Ho、金属Pd和金属In按照摩尔比1:1:1均匀混合成原料；将原料置于电弧炉内，对电弧炉抽真空，炉内的压力小于等于1×10-2Pa后，用体积纯度为99.9﹪的氩气清洗炉膛2次，然后充入氩气使炉内的压力达到0.98个标准大气压；
步骤(2)、将处理后的原料在电弧炉内通过电弧放电加热至完全融化，继续加热5～10秒后停止加热，自然冷却至常温，形成块状物；然后将块状物翻转后再次在熔炼容器内加热至完全融化，继续加热5～10秒后停止加热，自然冷却至常温，重复本步骤3次，熔炼得到成分均匀的合金铸锭；
步骤(3)、将熔炼制得的合金铸锭密封在真空度小于等于1×10-3Pa的石英容器中，在800℃高温下退火处理72小时；
步骤(4)、将密封的石英容器取出，在冰水中快速冷却至常温即可。
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