CN111074130B - 一种应用于低温磁制冷的轻稀土REZnSi材料的制备方法 - Google Patents

一种应用于低温磁制冷的轻稀土REZnSi材料的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明一种应用于低温磁制冷的轻稀土REZnSi材料及制备方法，RE为轻稀土Ce，Pr，Nd中的一者或多者之间的混合；所述的REZnSi材料具有六方型晶体结构，属于P6/mmm空间群；在0～2T的磁场变化下，等温磁熵变为2.5‑7.2J/kgK，在0～5T的磁场变化下，等温磁熵变为5.8‑13.8J/kgK；在0～7T的磁场变化下，等温磁熵变为9.4‑12.4J/kgK。首先将稀土和硅按一定加热融化制备出均匀合金锭子，破碎成粉末与锌粉按比例混合，利用热压的方法制备出致密的合金块，对合金块热处理后获得成品。本发明材料可应用于低温区磁制冷领域。原料价格低廉，制备方法工艺简单、适用于工业化。

Description

一种应用于低温磁制冷的轻稀土REZnSi材料的制备方法
技术领域
本发明属于磁性功能材料技术领域，特别涉及一种应用于低温磁制冷的轻稀土REZnSi材料RE为稀土Ce，Pr,Nd或两者及多者之间的混合)材料及其制备方法。
背景技术
磁制冷材料是一种基于材料的磁热效应(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。磁制冷的原理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。磁制冷因为使用具有大磁热效应的磁性材料作为制冷工质，不使用会破坏臭氧层和产生温室效应的任何有害气体，而且其制冷效率比目前最好的制冷系统可高20～30﹪，是未来最具潜力的制冷方式之一。而目前这一技术未能广泛应用的主要原因之一是不同温区的低价格高性能磁制冷材料相对较少。目前低温区磁制冷材料主要是一些重稀土金属间化合物材料，重稀土价格高而限制了该类材料的实际应用。此外，由于锌的沸点远低于稀土的熔点，无法直接进行合金化，对该类材料的制备条件苛刻而且工艺复杂。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供一种应用于低温磁制冷的价格低廉的轻稀土基REZnSi材料的制备方法。
一种应用于低温磁制冷的轻稀土REZnSi材料，RE为轻稀土，Pr，Nd，Ce中的一者或多者之间的混合；REZnSi材料，在0～2T的磁场变化下，等温磁熵变为2.5-7.2J/kgK，在0～5T的磁场变化下，等温磁熵变为5.8-13.8J/kgK；在0～7T的磁场变化下，等温磁熵变为9.4-12.4J/kgK。
一种应用于低温磁制冷的低温磁制冷的轻稀土REZnSi材料的制备方法，RE为Ce，Pr，Nd中的一者或多者之间的混合，包括以下步骤：
步骤1：将稀土金属与硅单质按摩尔比1.01:1-1.03:1的比例均匀混合成原料，在真空或者氩气保护气氛下、利用电阻丝加热、感应加热或电弧放电的方法加热至原料全部溶化成合金锭子；
步骤2：将制备出的合金锭子翻转后采取同样的方式加热至完全溶化、并重复此步骤2-4次，获得均匀的合金锭子；
步骤3：将制备出的合金锭子破碎成粉100-200微米颗粒后，与粒度在40-80微米的Zn粉按照锌粉和步骤2合金锭子中硅的摩尔比在1.03：1-1.06:1比例称量并混合均匀；
步骤4：将混合均匀的粉末放入磨具中在30-100MPa的压力下，并加热至450-520℃保温3-10小时，获得致密的合金块；
步骤5：将上一步制得的合金块在氩气保护状态下780-880℃热处理60-200小时后冷却至室温即可得到成品。
本发明材料可应用于低温区磁制冷领域。原料价格低廉，制备方法工艺简单、适用于工业化。
具体实施方式
下面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：制备PrZnSi磁制冷材料
步骤1：将稀土金属镨Pr与硅Si按摩尔比1.01:1的比例均匀混合成原料，在真空气氛下、利用感应加热的方法加热至原料全部溶化成合金锭子；
步骤2：将制备出的合金锭子翻转后采取感应加热的方式加热至完全溶化、并重复此步骤2次，获得均匀的合金锭子；
步骤3：将制备出的合金锭子破碎成粉120微米颗粒后，与粒度在60微米的Zn粉按照锌粉和硅的摩尔比在1.03：1比例称量并混合均匀；
步骤4：将混合均匀的粉末放入磨具中在60MPa的压力下，并加热至500℃保温4小时，获得致密的合金块；
步骤5：将上一步制得的合金块在氩气保护状态下800℃热处理100小时后冷却至室温得到PrZnSi磁制冷成品，测得所获成品在0～2T的磁场变化下，等温磁熵变为6.7J/kgK，在0～5T的磁场变化下，等温磁熵变为13.1J/kgK；在0～7T的磁场变化下，等温磁熵变为16.3J/kgK。
实施例2：制备Nd0.6Pr0.4ZnSi磁制冷材料
步骤1：将钕Nd和镨Pr与硅单质按摩尔比(0.62：0.41):1的比例均匀混合成原料，利用电阻丝加热方法加热至原料全部溶化成合金锭子；
步骤2：将制备出的合金锭子翻转后利用电阻丝加热的方法至完全溶化、并重复此步骤3次，获得均匀的合金锭子；
步骤3：将制备出的合金锭子破碎成粉100微米颗粒后，与粒度在50微米的Zn粉按照锌粉和硅的摩尔比在1.04:1比例称量并混合均匀；
步骤4：将混合均匀的粉末放入磨具中在80MPa的压力下，并加热至450℃保温8小时，获得致密的合金块；
步骤5：将上一步制得的合金块在氩气保护状态下820℃热处理150小时后冷却至室温即可得到成品。测试得到Nd0.4Pr0.6ZnSi磁制冷材料在0～2T的磁场变化下，等温磁熵变为6J/kgK，在0～5T的磁场变化下，等温磁熵变为12.3J/kgK；在0～7T的磁场变化下，等温磁熵变为15.4J/kgK。
实施例3：制备Nd0.5Pr0.3Ce0.2ZnSi磁制冷材料
步骤1：将钕Nd、镨Pr和铈与硅单质按摩尔比(0.52：0.31：0.21):1的比例均匀混合成原料，利用电弧放电加热方法加热至原料全部溶化成合金锭子；
步骤2：将制备出的合金锭子翻转后利用电阻丝加热的方法至完全溶化、并重复此步骤3次，获得均匀的合金锭子；
步骤3：将制备出的合金锭子破碎成粉180微米颗粒后，与粒度在70微米的Zn粉按照锌粉和硅的摩尔比在1.06:1比例称量并混合均匀；
步骤4：将混合均匀的粉末放入磨具中在90MPa的压力下，并加热至520℃保温10小时，获得致密的合金块；
步骤5：将上一步制得的合金块在氩气保护状态下780℃热处理120小时后冷却至室温即可得到成品。测试得到Nd0.5Pr0.3Ce0.2ZnSi磁制冷材料在0～2T的磁场变化下，等温磁熵变为4.6J/kgK，在0～5T的磁场变化下，等温磁熵变为10.3J/kgK；在0～7T的磁场变化下，等温磁熵变为13.4J/kgK。

Claims (1)

1.一种应用于低温磁制冷的轻稀土REZnSi材料的制备方法，其特征在于：RE为轻稀土Pr，Nd，Ce中的一者或多者之间的混合；REZnSi材料，在0～2T的磁场变化下，等温磁熵变为2.5-7.2J/kgK，在0～5T的磁场变化下，等温磁熵变为5.8-13.8J/kgK；
具体包括以下步骤：
步骤1：将稀土金属与硅单质按摩尔比1.01:1-1.03:1的比例均匀混合成原料，在真空或者氩气保护气氛下，利用电阻丝加热、感应加热或电弧放电的方法加热至原料全部熔化成合金锭子；
步骤2：将制备出的合金锭子翻转后采取同样的方式加热至完全熔化，并重复此步骤2-4次，获得均匀的合金锭子；
步骤3：将制备出的合金锭子破碎成100-200微米颗粒后，与粒度在40-80微米的Zn粉按照锌粉和步骤2合金锭子中硅的摩尔比在1.03：1-1.06:1比例称量并混合均匀；
步骤4：将混合均匀的粉末放入模具中在30-100MPa的压力下，并加热至450-520℃保温3-10小时，获得致密的合金块；
步骤5：将上一步制得的合金块在氩气保护状态下780-880℃热处理60-200小时后冷却至室温即可得到成品。
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