CN105671395A - 一种稀土钯镁低温磁制冷材料及制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种稀土钯镁低温磁制冷材料及其制备方法，材料的化学通式为：RE4-Pd-Mg，RE为Ho、Er或Tm中的一种或两种，按原子比RE：Pd：Mg＝4：1：1；制备方法：1)混料；2)惰性气体封闭环境；3)烧结：将石英容器，在850～920℃，保温10～20min，再降温至650～720℃，保温3～5小时，自然冷却；4)压片成型；5)封闭退火：将成型后材料放入石英管中封闭，在660～700℃，退火36～48小时，自然冷却，得成品。本发明材料，磁熵变显著，磁制冷能力高，磁转变温度及磁熵变最大值在5～40K温度范围内随成分变化连续可调；具有良好的磁、热可逆性质。本发明方法，采用缓慢升温和分步反应，克服了Mg挥发；工艺简单，易于实现。

Description

一种稀土钯镁低温磁制冷材料及制备方法
技术领域
本发明属于磁性功能材料技术领域，特别涉及一种稀土钯镁RE4PdMg低温磁制冷材料及制备方法。
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magnetocaloriceffect，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。
磁制冷技术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。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(4.2～20K)，中温区(20～77K)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一些顺磁金属盐和稀土金属间化合物，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。根据研究，RE4PdMg基化合物在其磁转变温度附近具有较大的可逆磁熵变，在低温磁制冷领域具有一定的应用前景。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种稀土钯镁RE4PdMg低温磁制冷材料及制备方法，是一种在较宽温区内具有大磁熵变、可用于低温磁制冷的磁性材料。
本发明的稀土钯镁低温磁制冷材料，其化学通式为：RE4-Pd-Mg，RE为Ho、Er或Tm中的一种或两种，按原子比RE∶Pd∶Mg＝4∶1∶1。
上述的稀土钯镁低温磁制冷材料，具有Gd4RhIn型立方晶体结构；在0～5的磁场变化下，磁熵变值为14～16J/kgK，在0～7的磁场变化下，磁熵变值为17～21J/kgK。
本发明的稀土钯镁低温磁制冷材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，混料：
按照稀土钯镁低温磁制冷材料成分，将稀土金属、过渡金属钯和镁，在Ar气手套箱内均匀混合成原料；
步骤2，惰性气体封闭环境：
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1×10-2Pa后，充入0.76～0.84个大气压的惰性气体，然后将石英容器封闭；
步骤3，烧结：
(1)将石英容器，以3～5℃/min的速度升温至850～920℃，保温10～20min；
(2)以6～8℃/分钟的速度降温至650～720℃，保温3～5小时；
(3)将石英容器，自然冷却至常温；
步骤4，压片成型：
在常温、13～17Mpa压力下，将原料压片成型；
步骤5，封闭退火：
(1)将成型后的材料放入石英管中，对石英容器抽真空，石英容器内的压力小于等于1×10-2Pa后，将石英管封闭；
(2)将石英管，在660～700℃，退火36～48小时；
(3)将石英管，自然冷却至常温，制得成品。
其中：
所述步骤2中，惰性气体为氩气；
所述的步骤3中，烧结在垂直烧结炉中进行。
本发明方法制备的稀土钯镁低温磁制冷材料，磁熵变显著，磁制冷能力高，磁转变温度及磁熵变最大值在5～40K温度范围内随成分变化连续可调。该磁制冷材料具有良好的磁、热可逆性质。本发明方法采用缓慢升温、分步反应的方法，有效地克服了Mg的挥发。本发明方法相对工艺简单，易于实现。
附图说明
图1本发明实施例1的Ho4PdMg稀土钯镁低温磁制冷材料不同磁场变化下等温磁熵变随温度的变化曲线图；
图2本发明实施例2的Er4PdMg稀土钯镁低温磁制冷材料不同磁场变化下等温磁熵变随温度的变化曲线图；
图3本发明实施例3的Tm4PdMg稀土钯镁低温磁制冷材料不同磁场变化下等温磁熵变随温度的变化曲线图。
具体实施方式
实施例1
稀土钯镁低温磁制冷材料，其化学通式为：RE4-Pd-Mg，RE为Ho，按原子比Ho∶Pd∶Mg＝4∶1∶1。
稀土钯镁低温磁制冷材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，混料：
按照稀土钯镁低温磁制冷材料成分，将16.49g(0.1摩尔)稀土金属钬、2.66g(0.025摩尔)金属钯、6.489g(0.025摩尔)金属镁，在Ar气手套箱内均匀混合成原料；
步骤2，惰性气体封闭环境：
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1×10-2Pa后，充入0.76个大气压的氩气，然后将石英容器封闭；
步骤3，烧结：
(1)将石英容器放入在垂直烧结炉中，以5℃/min的速度升温至920℃，保温10min；
(2)在垂直烧结炉中将石英容器，以8℃/min的速度降温至720℃，保温3h；
(3)将石英容器，自然冷却至常温；
步骤4，压片成型：
取出石英容器内制品，在常温、13Mpa压力下，压片成型；
步骤5，封闭退火：
(1)将成型后的材料放入石英管中，对石英容器抽真空，石英容器内的压力小于等于1×10-2Pa后，将石英管封闭；
(2)将石英管，在700℃，退火36小时；
(3)将石英管，自然冷却至常温，制得成品。
本实施例制备的稀土钯镁Ho4PdMg低温磁制冷材料，具有Gd4RhIn型立方晶体结构。经测定其居里温度TC为31K，在0～5和0～7T的磁场变化下，磁熵变最大值分别达到14.9J/kgK和18.6J/kgK。本实施例制备的稀土钯镁Ho4PdMg低温磁制冷材料不同磁场变化下等温磁熵变随温度的变化曲线图见图1。
实施例2
稀土钯镁低温磁制冷材料，其化学通式为：RE4-Pd-Mg，RE为Er，按原子比Er∶Pd∶Mg＝4∶1∶1。
稀土钯镁低温磁制冷材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，混料：
按照稀土钯镁低温磁制冷材料成分，16.73g(0.1摩尔)稀土金属铒、2.66g(0.025摩尔)金属钯、6.489g(0.025摩尔)金属镁，在Ar气手套箱内均匀混合成原料；
步骤2，惰性气体封闭环境：
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1×10-2Pa后，充入0.8个大气压的氩气，然后将石英容器封闭；
步骤3，烧结：
(1)将石英容器放入在垂直烧结炉中，以3℃/min的速度升温至880℃，保温18min；
(2)在垂直烧结炉中将石英容器，以6℃/min的速度降温至680℃，保温4h；
(3)将石英容器，自然冷却至常温；
步骤4，压片成型：
取出石英容器内制品，在常温、15Mpa压力下，压片成型；
步骤5，封闭退火：
(1)将成型后的材料放入石英管中，对石英容器抽真空，石英容器内的压力小于等于1×10-2Pa后，将石英管封闭；
(2)将石英管，在680℃，退火42小时；
(3)将石英管，自然冷却至常温，制得成品。
本实施例制备的稀土钯镁Er4PdMg低温磁制冷材料，具有Gd4RhIn型立方晶体结构。经测定其居里温度TC为21K，在0～5和0～7T的磁场变化下，磁熵变最大值分别达到15J/kgK和20.1J/kgK。本实施例制备的稀土钯镁Er4PdMg低温磁制冷材料不同磁场变化下等温磁熵变随温度的变化曲线图见图2。
实施例3
稀土钯镁低温磁制冷材料，其化学通式为：RE4-Pd-Mg，RE为Tm，按原子比Tm∶Pd∶Mg＝4∶1∶1。
稀土钯镁低温磁制冷材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，混料：
按照稀土钯镁低温磁制冷材料成分，将16.89g(0.1摩尔)稀土金属铥、2.66g(0.025摩尔)金属钯、6.489g(0.025摩尔)金属镁，在Ar气手套箱内均匀混合成原料；
步骤2，惰性气体封闭环境：
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1×10-2Pa后，充入0.84个大气压的氩气，然后将石英容器封闭；
步骤3，烧结：
(1)将石英容器放入在垂直烧结炉中，以5℃/min的速度升温至850℃，保温20min；
(2)在垂直烧结炉中将石英容器，以5℃/min的速度降温至650℃，保温5h；
(3)将石英容器，自然冷却至常温；
步骤4，压片成型：
在常温、17Mpa压力下，压片成型；
步骤5，封闭退火：
(1)将成型后的材料放入石英管中，对石英容器抽真空，石英容器内的压力小于等于1×10-2Pa后，将石英管封闭；
(2)将石英管，在650℃，退火48小时；
(3)将石英管，自然冷却至常温，制得成品。
本实施例制备的稀土钯镁Tm4PdMg低温磁制冷材料，具有Gd4RhIn型立方晶体结构。经测定其居里温度TC为7K，在0～5和0～7T的磁场变化下，磁熵变最大值分别达到14.9J/kgK和17.9J/kgK。本实施例制备的稀土钯镁Tm4PdMg低温磁制冷材料不同磁场变化下等温磁熵变随温度的变化曲线图见图3。
实施例4
稀土钯镁低温磁制冷材料，其化学通式为：RE4-Pd-Mg，RE为Ho和Er，按原子比Ho∶Er∶Pd∶Mg＝2∶2∶1∶1。
稀土钯镁低温磁制冷材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，混料：
按照稀土钯镁低温磁制冷材料成分，将将8.245g(0.05摩尔)稀土金属钬、8.445g(0.05摩尔)稀土金属铥、2.66g(0.025摩尔)金属钯、6.489g(0.025摩尔)金属镁，在Ar气手套箱内均匀混合成原料；
步骤2，惰性气体封闭环境：
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1×10-2Pa后，充入0.76～0.84个大气压的氩气，然后将石英容器封闭；
步骤3，烧结：
(1)将石英容器放入在垂直烧结炉中，以3℃/min的速度升温至850℃，保温20min；
(2)在垂直烧结炉中将石英容器，以6℃/分钟的速度降温至650℃，保温5h；
(3)将石英容器，自然冷却至常温；
步骤4，压片成型：
在常温、13Mpa压力下，压片成型；
步骤5，封闭退火：
(1)将成型后的材料放入石英管中，对石英容器抽真空，石英容器内的压力小于等于1×10-2Pa后，将石英管封闭；
(2)将石英管，在660℃，退火48小时；
(3)将石英管，自然冷却至常温，制得成品。
本实施例制备的稀土钯镁Ho2Er2PdMg低温磁制冷材料，具有Gd4RhIn型立方晶体结构。经测定其居里温度TC为25K，在0～5和0～7T的磁场变化下，磁熵变最大值分别达到14.6J/kgK和18.3J/kgK。
实施例5
稀土钯镁低温磁制冷材料，其化学通式为：RE4-Pd-Mg，RE为Ho和Tm，按原子比Ho∶Tm∶Pd∶Mg＝3∶1∶1∶1。
稀土钯镁低温磁制冷材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，混料：
按照稀土钯镁低温磁制冷材料成分，将12.37g(0.075摩尔)稀土金属钬、4.22g(0.025摩尔)稀土金属铥、2.66g(0.025摩尔)金属钯、6.489g(0.025摩尔)金属镁，在Ar气手套箱内均匀混合成原料；
步骤2，惰性气体封闭环境：
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1×10-2Pa后，充入0.84个大气压的氩气，然后将石英容器封闭；
步骤3，烧结：
(1)将石英容器放入在垂直烧结炉中，以5℃/min的速度升温至920℃，保温10min；
(2)在垂直烧结炉中将石英容器，以8℃/分钟的速度降温至720℃，保温3h；
(3)将石英容器，自然冷却至常温；
步骤4，压片成型：
在常温、17Mpa压力下，压片成型；
步骤5，封闭退火：
(1)将成型后的材料放入石英管中，对石英容器抽真空，石英容器内的压力小于等于1×10-2Pa后，将石英管封闭；
(2)将石英管，在700℃，退火36小时；
(3)将石英管，自然冷却至常温，制得成品。
本实施例制备的稀土钯镁Ho3TmPdMg低温磁制冷材料，具有Gd4RhIn型立方晶体结构。经测定其居里温度TC为22K，在0～5和0～7T的磁场变化下，磁熵变最大值分别达到15.1J/kgK和18.2J/kgK。

Claims (6)

1.一种稀土钯镁低温磁制冷材料，其特征在于，其化学通式为：RE4-Pd-Mg，RE为Ho、Er或Tm中的一种或两种，按原子比RE∶Pd∶Mg＝4∶1∶1。
2.根据权利要求1所述的稀土钯镁低温磁制冷材料，其特征在于，所述的稀土钯镁低温磁制冷材料，具有Gd4RhIn型立方晶体结构。
3.根据权利要求1所述的稀土钯镁低温磁制冷材料，其特征在于，所述的稀土钯镁低温磁制冷材料，在0～5的磁场变化下，磁熵变值为14～16J/kgK，在0～7的磁场变化下，磁熵变值为17～21J/kgK。
4.权利要求1所述的稀土钯镁低温磁制冷材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，混料：
按照稀土钯镁低温磁制冷材料成分，将稀土金属、过渡金属钯和镁，在Ar气手套箱内均匀混合成原料；
步骤2，惰性气体封闭环境：
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1×10-2Pa后，充入0.76～0.84个大气压的惰性气体，然后将石英容器封闭；
步骤3，烧结：
(1)将石英容器，以3～5℃/min的速度升温至850～920℃，保温10～20min；
(2)以6～8℃/分钟的速度降温至650～720℃，保温3～5小时；
(3)将石英容器，自然冷却至常温；
步骤4，压片成型：
在常温、13～17Mpa压力下，将原料压片成型；
步骤5，封闭退火：
(1)将成型后的材料放入石英管中，对石英容器抽真空，石英容器内的压力小于等于1×10-2Pa后，将石英管封闭；
(2)将石英管，在660～700℃，退火36～48小时；
(3)将石英管，自然冷却至常温，制得成品。
5.根据权利要求4所述的稀土钯镁低温磁制冷材料的制备方法，其特征在于，所述的步骤2中，惰性气体为氩气。
6.根据权利要求4所述的稀土钯镁低温磁制冷材料的制备方法，其特征在于，所述的所述的步骤3中，烧结在垂直烧结炉中进行。
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