CN106978576B - 一种Er基非晶低温磁制冷材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种Er基非晶低温磁制冷材料及其制备方法；所述材料化学通式：EraTbAlc，其中，T为Fe、Co、Ni或Cu中的一种，a为56～63，b为18～33，c为16～28，且a+b+c＝100；方法：1)备料，Er稍过量；2)惰性气体条件下电弧熔炼至完全融化，保温后自然冷却，反复熔炼，得成分均匀合金铸锭；3)表面清理干净后，破碎成小块合金铸锭；4)采用感应熔炼甩带装置，将铸锭在惰性气体条件下完全熔化，保温后甩带，得Er基非晶低温磁制冷材料；本发明材料，宽2～2.8mm，厚度35～42m；在0～7T磁场变化下，磁转变温度8～18K，最大磁熵变12.6～22.5J/kgK，磁制冷能力480～620J/kg；玻璃转变温度550～640K，晶化温度640～700K，冷液相区宽度33～65K。

Description

一种Er基非晶低温磁制冷材料及其制备方法
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Er基非晶低温磁制冷材料及其制备方法。
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。
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，因此有望代替正在使用的耗能大且有害环境的气体压缩制冷方式。且与现有最好的制冷系统相比，磁制冷可以节省20～30％的能源。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。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。
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，但由于它们的磁熵变相对较小，而且需要较大的磁场使其商业应用受到一定的限制。根据研究，一些稀土基非晶材料也是一种典型的磁制冷材料，且非晶材料具有高电阻率、小涡流、可调的相转变温度、高的热导性、良好的机械性能和抗腐蚀性能以及良好的耐腐蚀性能，使非晶磁制冷材料在磁热效应的研究中具有很大的优势，有望成为一种非常有潜力和竞争力的磁制冷用工质材料。其中，稀土Er基非晶低温磁制冷材料在其磁转变温度附近具有较大的磁熵变，而且具有成本低廉、制备方法简单、以及良好的磁、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
针对现有技术的不足，本发明提供一种Er基非晶低温磁制冷材料及其制备方法。
本发明的Er基非晶低温磁制冷材料，其化学通式为：EraTbAlc，其中，T为Fe、Co、Ni或Cu中的一种，a为56～63，b为18～33，c为16～28，且a+b+c＝100。
本发明的Er基非晶低温磁制冷材料，在0～7T磁场变化下，磁转变温度为8～18K，最大磁熵变为12.6～22.5J/kg K，磁制冷能力为480～620J/kg。
本发明的Er基非晶低温磁制冷材料具有较好的玻璃形成能力和热稳定性，其玻璃转变温度为550～640K(823～913℃)，晶化温度为640～700K(913～973℃)，冷液相区宽度为33～65K。
本发明的Er基非晶低温磁制冷材料，具有良好的磁、热可逆性质。
本发明的Er基非晶低温磁制冷材料的制备方法，包括如下步骤：
步骤1，配料：
按Er基非晶低温磁制冷材料的成分配比，称取原料Al，称取原料Fe、Co、Ni或Cu中的一种，原料Er的称取量为理论用量的102～104％；
步骤2，熔炼制得合金铸锭：
(1)将各原料混合，在惰性气体条件下电弧熔炼至完全融化，保温20～30s，自然冷却至室温，制得块状EraTbAlc；其中，熔炼时熔炼室的惰性气体压力为0.88～0.94个标准大气压；
(2)将块状EraTbAlc反复熔炼，制得成分均匀的EraTbAlc合金铸锭；
步骤3，破碎：
将EraTbAlc合金铸锭表面清理干净后，破碎成小块合金铸锭；
步骤4，甩带制备：
(1)采用感应熔炼甩带装置，将小块合金铸锭放入感应熔炼甩带装置的熔炼室内，使熔炼室处于惰性气体条件下，且保持压力为0.8～0.9个标准大气压；
(2)设置熔炼温度至合金铸锭完全熔化，保温20～35s后，开始甩带，甩带过程设置铜棍切向线速度为22～28m/s，熔炼室内外压力差为0.08～0.09MPa，制得Er基非晶低温磁制冷材料。
上述的Er基非晶低温磁制冷材料的制备方法中：
所述步骤1中，Er、Al、Fe、Co、Ni和Cu的纯度均≥99.9wt.％。
所述步骤2(1)的具体操作方法为：将原料置于电弧炉内，对电弧炉抽真空，炉内压力小于等于1×10-2Pa后，用体积纯度为99.99％的惰性气体清洗炉膛2～4次，然后充入体积纯度为99.99％惰性气体，使容器内的压力达到0.88～0.91个标准大气压，当各原料均完全融化后，保温20～30s，自然冷却至室温，制得块状EraTbAlc。
所述步骤2(2)的具体操作方法为：将块状EraTbAlc翻转后，再次在电弧炉内加热至完全熔化，继续加热10～20s后停止加热，自然冷却至常温，重复4次及以上，熔炼得到成分均匀的EraTbAlc合金铸锭。
所述步骤3中，将EraTbAlc合金铸锭表面清理干净的方法为：将EraTbAlc合金铸锭，用砂轮磨掉表面杂质，然后置于酒精中超声波清洗。
所述步骤1和4中，惰性气体为高纯氩气；氩气的体积纯度≥99.99％。
所述步骤4中，感应熔炼甩带装置的熔炼室为石英容器。
所述步骤4(1)中，将小块合金铸锭放入感应熔炼甩带装置的熔炼室前，打开感应熔炼甩带装置并清洗腔体。
所述步骤4中，使熔炼室处于惰性气体条件的方法为：对熔炼室抽真空至小于等于8.5×10-4Pa后，用体积纯度为99.99％的惰性气体清洗炉膛3次及以上，然后充入体积纯度为99.99％惰性气体使熔炼室的压力达到0.8～0.9个标准大气压。
所述步骤4中，熔炼温度为880～970℃。
所述方法制备的Er基非晶低温磁制冷材料，其宽为2～2.8mm，厚度为35～42m。
本发明的Er基非晶低温磁制冷材料及其制备方法，与现有技术相比，有益效果为：
本发明提供一种具有大磁熵变、可用于低温磁制冷的稀土Er基非晶磁制冷材料；所采用的制备工艺较为简单，无需进行任何热处理，降低了成本，适合工业化生产。
具体实施方式
以下实施例中的Er、Al、Fe、Co、Ni和Cu的纯度均≥99.9wt.％。
以下实施例中的氩气为高纯氩气，其积纯度≥99.99％。
实施例1
一种的Er基非晶低温磁制冷材料，其化学通式为：Er60Cu20Al20。
上述的Er基非晶低温磁制冷材料Er60Cu20Al20的制备方法，包括如下步骤：
步骤1，配料：
按Er基非晶低温磁制冷材料Er60Cu20Al20的成分配比，称取原料Al，称取原料Cu，原料Er的称取量为理论用量的102％；总计3种原料之和为12g。
步骤2，熔炼制得合金铸锭：
(1)将各原料置于电弧炉内，对电弧炉抽真空，炉内压力达到1×10-2Pa后，用体积纯度为99.99％的高纯氩气清洗炉膛4次，然后充入体积纯度为99.99％高纯氩气，使容器内的压力达到0.94个标准大气压，各原料均完全融化后保温25s，自然冷却至室温，制得块状EraTbAlc。
(2)将块状Er60Cu20Al20翻转后，再次在电弧炉内加热至完全熔化，继续加热15s后停止加热，自然冷却至常温，重复5次，熔炼得到成分均匀的Er60Cu20Al20合金铸锭。
步骤3，破碎：
将Er60Cu20Al20合金铸锭，用砂轮磨掉表面杂质，然后置于酒精中超声波清洗后，破碎成小块合金铸锭；
步骤4，甩带制备：
(1)打开感应熔炼甩带装置并清洗腔体，将小块合金铸锭放入感应熔炼甩带装置的石英容器内，对熔炼室抽真空至达到8.5×10-4Pa后，用体积纯度为99.99％的高纯氩气清洗炉膛3次及以上，然后充入体积纯度为99.99％高纯氩气使熔炼室的压力达到0.85个标准大气压
(2)设置熔炼温度为920℃，将合金铸锭完全熔化，保温20s后停止加热，开始甩带，甩带过程设置铜棍切向线速度为24m/s，石英容器内外压力差为0.09MPa，制得Er基非晶低温磁制冷材料Er60Cu20Al20。
本实施例制备的Er基非晶低温磁制冷材料Er60Cu20Al20，其宽为2.2mn，厚度为38μm；
本实施例制备的Er基非晶低温磁制冷材料Er60Cu20Al20，在0～7T磁场变化下，磁转变温度为13.3K，最大磁熵变为15.3J/kg K，磁制冷能力为543J/kg。
本实施例制备Er基非晶低温磁制冷材料Er60Cu20Al20，其玻璃转变温度为572K，晶化温度为607K，过冷液相区宽度为35K。
本实施例制备的Er基非晶低温磁制冷材料Er60Cu20Al20，具有良好的磁、热可逆性质。
实施例2
一种的Er基非晶低温磁制冷材料，其化学通式为：Er63Co18Al19。
上述的Er基非晶低温磁制冷材料Er63Co18Al19的制备方法，包括如下步骤：
步骤1，配料：
按Er基非晶低温磁制冷材料Er63Co18Al19的成分配比，称取原料Al，称取原料Co，原料Er的称取量为理论用量的104％，总计3种原料之和为15g。
步骤2，熔炼制得合金铸锭：
(1)将各原料置于电弧炉内，对电弧炉抽真空，炉内压力小于1×10-2Pa后，用体积纯度为99.99％的高纯氩气清洗炉膛2次，然后充入体积纯度为99.99％高纯氩气，使容器内的压力达到0.88个标准大气压，当各原料均完全融化后，保温30s，自然冷却至室温，制得块状Er63Co18Al19。
(2)将块状Er63Co18Al19翻转后，再次在电弧炉内加热至完全熔化，继续加热12s后停止加热，自然冷却至常温，重复6次，熔炼得到成分均匀的Er63Co18Al19合金铸锭。
步骤3，破碎：
将Er63Co18Al19合金铸锭，用砂轮磨掉表面杂质，然后置于酒精中超声波清洗后，破碎成小块合金铸锭；
步骤4，甩带制备：
(1)打开感应熔炼甩带装置并清洗腔体，将小块合金铸锭放入感应熔炼甩带装置的石英容器内，对熔炼室抽真空至小于8.5×10-4Pa后，用体积纯度为99.99％的高纯氩气清洗炉膛5次，然后充入体积纯度为99.99％高纯氩气使熔炼室的压力达到0.8个标准大气压
(2)设置熔炼温度为970℃，将合金铸锭完全熔化，保温20s后停止加热，开始甩带，甩带过程设置铜棍切向线速度为28m/s，石英容器内外压力差为0.08MPa，制得Er基非晶低温磁制冷材料Er63Co18Al19。
本实施例制备的Er基非晶低温磁制冷材料Er63Co18Al19，其宽为2.8mm，厚度为42um；
本实施例制备的Er基非晶低温磁制冷材料Er63Co1aAl19，在0～7T磁场变化下，磁转变温度为11.5K，最大磁熵变为18.1J/kg K，磁制冷能力为553J/kg。
本实施例制备的Er基非晶低温磁制冷材料Er63Co18Al19，其玻璃转变温度为613K，晶化温度为665K，过冷液相区宽度为52K。
本实施例制备的Er基非晶低温磁制冷材料Er63Co18Al19，具有良好的磁、热可逆性质。
实施例3
一种的Er基非晶低温磁制冷材料，其化学通式为：Er56Fe28Al16。
上述的Er基非晶低温磁制冷材料Er56Fe28Al16的制备方法，包括如下步骤：
步骤1，配料：
按Er基非晶低温磁制冷材料Er56Fe28Al16的成分配比，称取原料Al，称取原料Fe，原料Er的称取量为理论用量的103％；
步骤2，熔炼制得合金铸锭：
(1)将各原料置于电弧炉内，对电弧炉抽真空，炉内压力达到1×10-2Pa后，用体积纯度为99.99％的高纯氩气清洗炉膛3次，然后充入体积纯度为99.99％高纯氩气，使容器内压力达到0.9个标准大气压，当各原料均完全融化后保温30s，自然冷却至室温，得块状Er56Fe28Al16；
(2)将块状Er56Fe28Al16翻转后，再次在电弧炉内加热至完全熔化，继续加热18s后停止加热，自然冷却至常温，重复7次，熔炼得到成分均匀的Er56Fe28Al16合金铸锭。
步骤3，破碎：
将Er56Fe28Al16合金铸锭，用砂轮磨掉表面杂质，然后置于酒精中超声波清洗后，破碎成小块合金铸锭；
步骤4，甩带制备：
(1)打开感应熔炼甩带装置并清洗腔体，将小块合金铸锭放入感应熔炼甩带装置的石英容器内，对熔炼室抽真空至达到8.5×10-4Pa后，用体积纯度为99.99％的高纯氩气清洗炉膛5次，然后充入体积纯度为99.99％高纯氩气使熔炼室的压力达到0.9个标准大气压
(2)设置熔炼温度为880℃，将合金铸锭完全熔化，保温35s后停止加热，开始甩带，甩带过程设置铜棍切向线速度为28m/s，石英容器内外压力差为0.085MPa，制得Er基非晶低温磁制冷材料Er56Fe28Al16。
本实施例制备的Er基非晶低温磁制冷材料Er56Fe28Al16，其宽为2.2mm，厚度为37μm；
本实施例制备的Er基非晶低温磁制冷材料Er56Fe28Al16，在0～7T磁场变化下，磁转变温度为10.2K，最大磁熵变为17.6J/kg K，磁制冷能力为525J/kg。
本实施例制备的Er基非晶低温磁制冷材料Er56Fe28Al16，其玻璃转变温度为635K，晶化温度为698K，过冷液相区宽度为63K。
本实施例制备的Er基非晶低温磁制冷材料Er56Fe28Al16，具有良好的磁、热可逆性质。
实施例4
一种的Er基非晶低温磁制冷材料，其化学通式为：Er57Ni19Al24。
上述的Er基非晶低温磁制冷材料Er57Ni19Al24的制备方法，包括如下步骤：
步骤1，配料：
按Er基非晶低温磁制冷材料Er57Ni19Al24的成分配比，称取原料Al，称取原料Ni，原料Er的称取量为理论用量的102％；
步骤2，熔炼制得合金铸锭：
(1)将各原料置于电弧炉内，对电弧炉抽真空，炉内压力小于等于1×10-2Pa后，用体积纯度为99.99％的高纯氩气清洗炉膛4次，然后充入体积纯度为99.99％高纯氩气，使容器内的压力达到0.88～0.94个标准大气压，当各原料均完全融化后，保温20～30s，自然冷却至室温，制得块状Er57Ni19Al24；
(2)将块状Er57Ni19Al24翻转后，再次在电弧炉内加热至完全熔化，继续加热10s后停止加热，自然冷却至常温，重复6次，熔炼得到成分均匀的Er57Ni19Al24合金铸锭。
步骤3，破碎：
将Er57Ni19Al24合金铸锭，用砂轮磨掉表面杂质，然后置于酒精中超声波清洗后，破碎成小块合金铸锭；
步骤4，甩带制备：
(1)打开感应熔炼甩带装置并清洗腔体，将小块合金铸锭放入感应熔炼甩带装置的石英容器内，对熔炼室抽真空至等于8×10-4Pa后，用体积纯度为99.99％的高纯氩气清洗炉膛5次，然后充入体积纯度为99.99％高纯氩气使熔炼室的压力达到0.88个标准大气压
(2)设置熔炼温度为950℃，将合金铸锭完全熔化，保温30s后停止加热，开始甩带，甩带过程设置铜棍切向线速度为25m/s，石英容器内外压力差为0.09MPa，制得Er基非晶低温磁制冷材料Er57Ni19Al24。
本实施例制备的Er基非晶低温磁制冷材料Er57Ni19Al24，其宽为2.7mm，厚度为39um；
本实施例制备的Er基非晶低温磁制冷材料Er57Ni19Al24，在0～7T磁场变化下，磁转变温度为9.9K，最大磁熵变为20.5J/kg K，磁制冷能力为580J/kg。
本实施例制备的Er基非晶低温磁制冷材料Er57Ni19Al24，其玻璃转变温度为607K，晶化温度为651K，过冷液相区宽度为44K。
本实施例制备的Er基非晶低温磁制冷材料Er57Ni19Al24，具有良好的磁、热可逆性质。

Claims (5)

1.一种Er基非晶低温磁制冷材料，其特征在于，所述Er基非晶低温磁制冷材料的化学通式为：EraTbAlc，其中，T为Fe或Ni中的一种，a为56~63，b为18~33，c为16~28，且a+b+c=100；所述Er基非晶低温磁制冷材料，在0~7 T磁场变化下，磁转变温度为8~18 K，最大磁熵变为12.6 ~22.5 J/kg K，磁制冷能力为 480~620 J/kg；其玻璃转变温度为550~640K，晶化温度为640~700K，冷液相区宽度为33~65 K。
2.权利要求1所述的Er基非晶低温磁制冷材料的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤1，配料：
按Er基非晶低温磁制冷材料的成分配比，称取原料Al，称取原料Fe或Ni中的一种，原料Er的称取量为理论用量的102~104%；
步骤2，熔炼制得合金铸锭：
(1) 将原料置于电弧炉内，对电弧炉抽真空，炉内压力小于等于1×10-2Pa后，用体积纯度为99.99%的惰性气体清洗炉膛2~4次，然后充入体积纯度为99.99%惰性气体，使容器内的压力达到0.88～0.91个标准大气压，当各原料均完全熔化后，保温20~30s，自然冷却至室温，制得块状EraTbAlc；
(2) 将块状EraTbAlc翻转后，再次在电弧炉内加热至完全熔化，继续加热10~20s后停止加热，自然冷却至常温，重复4次及以上，熔炼得到成分均匀的EraTbAlc合金铸锭；
步骤3，破碎：
将EraTbAlc合金铸锭表面清理干净后，破碎成小块合金铸锭；
步骤4，甩带制备：
(1) 采用熔炼室为石英容器的感应熔炼甩带装置，打开感应熔炼甩带装置并清洗腔体，将小块合金铸锭放入感应熔炼甩带装置的熔炼室内，使熔炼室处于惰性气体条件下，且保持压力为0.8~0.9个标准大气压；其中，使熔炼室处于惰性气体条件的方法为：对熔炼室抽真空至小于等于8.5×10-4Pa后，用体积纯度为99.99%的惰性气体清洗炉膛3次及以上，然后充入体积纯度为99.99%惰性气体使熔炼室的压力达到0.8~0.9个标准大气压；
(2) 设置熔炼温度为880 ~970 oC至合金铸锭完全熔化，保温20~35s后，开始甩带，甩带过程设置铜辊切向线速度为22~28 m/s，熔炼室内外压力差为0.08~0.09MPa，制得宽为2~2.8 mm且厚度为35~42μm的Er基非晶低温磁制冷材料。
3.根据权利要求2所述的Er基非晶低温磁制冷材料的制备方法，其特征在于，所述步骤1中，Er、Al、Fe、Co、Ni和Cu的纯度均≥99.9 wt.%。
4.根据权利要求2所述的Er基非晶低温磁制冷材料的制备方法，其特征在于，所述步骤3中，将EraTbAlc合金铸锭表面清理干净的方法为：将EraTbAlc合金铸锭，用砂轮磨掉表面杂质，然后置于酒精中超声波清洗。
5.根据权利要求2所述的Er基非晶低温磁制冷材料的制备方法，其特征在于，所述步骤2和4中，惰性气体为高纯氩气；氩气的体积纯度≥99.99%。
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