一種Gd?Ni?Al基非晶納米晶復(fù)合材料及其制備方法技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)公開了一種Gd?Ni?Al基非晶納米晶復(fù)合材料，分子式為GdaNibAlc，其中a、b、c指代各對(duì)應(yīng)元素的原子含量，80≤a≤90，5.8≤b≤11.6，4.2≤c≤8.4，且滿足a+b+c＝100。本發(fā)明專利技術(shù)得到的Gd?Ni?Al基非晶納米晶復(fù)合材料具有非晶/納米晶復(fù)相結(jié)構(gòu)，具有兩個(gè)制冷溫區(qū)，并且具有一個(gè)或兩個(gè)磁熵變平臺(tái)，其高溫磁有序溫度在270K以上，5T磁場(chǎng)下的磁熵變可以達(dá)到6.7J/kg/K，由于磁轉(zhuǎn)變溫度區(qū)間較寬，其制冷能力高達(dá)640J/kg以上，因此是一種良好的磁制冷材料，可以在兩個(gè)制冷溫區(qū)兩個(gè)區(qū)間均可作為磁制冷工質(zhì)應(yīng)用。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術(shù)涉及稀土基非晶納米晶復(fù)合材料
，具體講的是一種具有磁熵變平臺(tái)和雙制冷溫區(qū)的Gd-Ni-Al基非晶納米晶復(fù)合材料及其制備方法。
技術(shù)介紹
傳統(tǒng)的氣體壓縮制冷技術(shù)不僅存在溫室效應(yīng)而且可能破壞臭氧層，與之相比，磁制冷技術(shù)具有綠色環(huán)保、高效節(jié)能、體積小、壽命長(zhǎng)和安全可靠的優(yōu)勢(shì)，因此尋找高效的磁制冷工質(zhì)材料成為人們比較關(guān)注的問題。磁致冷是依靠磁熱效應(yīng)達(dá)到制冷效果的，因此磁熱效應(yīng)是磁致冷能夠?qū)崿F(xiàn)的基礎(chǔ)。由磁性粒子構(gòu)成的固體磁性物質(zhì)，在受到外磁場(chǎng)作用被磁化時(shí)，系統(tǒng)的磁有序度加強(qiáng)(磁熵減少)，對(duì)外放出熱量；將其去磁，則固體的磁有序度下降(磁熵增大)，要從外界吸收熱量，這種絕熱磁化－退磁引起的放熱和吸熱過程用一個(gè)循環(huán)連接起來，那么磁性材料就會(huì)一端持續(xù)吸熱而另一端持續(xù)放熱，這樣就會(huì)起到制冷的目的。在磁制冷機(jī)種，卡諾循環(huán)有其適用的范圍，即溫度低于15K。而當(dāng)溫度超過15K，固體物質(zhì)中的晶格熵在總熵的比例較大，此時(shí)卡諾循環(huán)失效，應(yīng)當(dāng)采用埃里克森循環(huán)，來降低晶格熵的影響。由于埃里克森循環(huán)要求工質(zhì)在循環(huán)過程中保持回?zé)崞胶?，所以磁制冷工質(zhì)材料在磁熵變曲線上具有平臺(tái)現(xiàn)象即具有磁熵變平臺(tái)的磁制冷工質(zhì)是最佳選擇。所述磁熵變平臺(tái)是指：材料的磁熵變隨溫度變化曲線在某溫度區(qū)間時(shí)，材料的磁熵變數(shù)值保持恒定。因此，從使用的角度來講，具有磁熵變平臺(tái)的磁制冷材料對(duì)制冷機(jī)的設(shè)計(jì)和磁熱效應(yīng)的最終實(shí)現(xiàn)具有重要意義。另外，具有磁熵變平臺(tái)的制冷工制材料在相同條件下的制冷能力大于沒有磁熵變平臺(tái)的材料。這是因?yàn)椴牧系闹评淠芰?T1、T2分別代表峰值半高寬處溫度點(diǎn))，也就是說材料的制冷能力RC為磁熵變隨溫度變化曲線上T1至T2之間的積分面積，由于具有磁熵變平臺(tái)的制冷工制材料在相同條件下，在磁熵變隨溫度變化曲線上T1至T2之間的積分面積要大，所以其制冷能力要強(qiáng)。然而，對(duì)于絕大部分鐵磁材料而言，其磁熵變隨溫度變化曲線的特征是：在磁有序溫度附近，材料的磁熵變達(dá)到最大值；在磁熵變溫度的兩側(cè)，隨溫度升高和降低，磁熵變都減小。
也就是說，對(duì)于絕大部分鐵磁材料而言均不具有磁熵變平臺(tái)。并且，磁制冷工質(zhì)材料的制冷能力還與材料的制冷區(qū)間有關(guān)。材料的制冷區(qū)間是指材料能產(chǎn)生制冷能力的溫度范圍。材料的制冷區(qū)間越寬，表示材料在越大的溫度范圍內(nèi)能產(chǎn)生制冷能力。而目前，大部分的磁制冷工質(zhì)材料只具有一個(gè)制冷區(qū)間，這樣，就限制了磁制冷工質(zhì)材料的制冷應(yīng)用。所以，尋找制冷區(qū)間寬且具有磁熵變平臺(tái)的磁制冷工質(zhì)在磁制冷技術(shù)的應(yīng)用上顯得尤為重要。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專利技術(shù)所要解決的技術(shù)問題是，提供一種具有磁熵變平臺(tái)和雙制冷溫區(qū)的Gd-Ni-Al基非晶納米晶復(fù)合材料。為解決上述技術(shù)問題，本專利技術(shù)的一種Gd-Ni-Al基非晶納米晶復(fù)合材料，其分子式為GdaNibAlc，其中a、b、c指代各對(duì)應(yīng)元素的原子含量，80≤a≤90，5.8≤b≤11.6，4.2≤c≤8.4，且滿足a+b+c＝100。優(yōu)選的，a為80或90。優(yōu)選的，b為5.8或11.6。優(yōu)選的，c為4.2或8.4。本專利技術(shù)的一種Gd-Ni-Al基非晶納米晶復(fù)合材料具有兩個(gè)制冷溫區(qū)，分別為第一制冷溫區(qū)和第二制冷溫區(qū)；所述第一制冷溫區(qū)的溫度區(qū)間為40K～180K，第二制冷溫區(qū)的溫度區(qū)間為200K～320K；在所述第一制冷溫區(qū)和第二制冷溫區(qū)中的至少一個(gè)內(nèi)，所述Gd-Ni-Al基非晶納米晶復(fù)合材料具有磁熵變平臺(tái)。在第二制冷溫區(qū)內(nèi)，所述Gd-Ni-Al基非晶納米晶復(fù)合材料的居里溫度≥270K。在第二制冷溫區(qū)內(nèi)且在5T磁場(chǎng)的情況時(shí)，所述Gd-Ni-Al基非晶納米晶復(fù)合材料的磁熵變?yōu)?.5～6.9J/kg/K。本專利技術(shù)的一種Gd-Ni-Al基非晶納米晶復(fù)合材料的制冷能力≥640J/kg。上述Gd-Ni-Al基復(fù)合材料為非晶納米晶結(jié)構(gòu)，在非晶基底上有納米晶析出。本專利技術(shù)與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：1.由于本專利技術(shù)的一種Gd-Ni-Al基非晶納米晶復(fù)合材料具有兩個(gè)制冷溫區(qū)，也就是說它在兩個(gè)制冷溫區(qū)內(nèi)均具有制冷能力，這樣，兩個(gè)制冷溫區(qū)就擴(kuò)大了本專利技術(shù)的制冷應(yīng)用范圍。2.本專利技術(shù)的一種Gd-Ni-Al基非晶納米晶復(fù)合材料在其第一制冷溫區(qū)和第二制冷溫區(qū)中的至少一個(gè)內(nèi)具有磁熵變平臺(tái)。這樣，由于磁熵變平臺(tái)的存在，在作為磁制冷工質(zhì)材料采用埃里克森循環(huán)時(shí)，可以保證工質(zhì)在循環(huán)過程中保持回?zé)崞胶猓瑥亩哂懈€(wěn)定和更大的制冷能
力。3.該Gd-Ni-Al基非晶納米晶復(fù)合材料具有磁熵變平臺(tái)和雙制冷溫區(qū)：在第一制冷溫區(qū)具有至少一個(gè)磁熵變平臺(tái)現(xiàn)象，而其在第二制冷溫區(qū)具有較高的居里溫度，同時(shí)還具有較大的磁熵變，其居里溫度在270K以上，磁熵變半高寬溫區(qū)高達(dá)120K，5T磁場(chǎng)下的磁熵變大于6.5J/kg/K。另外，該Gd-Ni-Al基非晶納米晶復(fù)合材料的制冷能力高達(dá)640J/kg以上，因此是一種良好的磁制冷材料，可以作為近室溫磁制冷工質(zhì)應(yīng)用。一種Gd-Ni-Al基非晶納米晶復(fù)合材料的制備方法，它包括以下步驟：步驟1：將Gd、Ni、Al元素按照所述分子式中的原子比配制原料；步驟2：將步驟1中配制的原料放入熔煉爐中，在氬氣保護(hù)氣氛下進(jìn)行熔煉，得到成分均勻的母合金鑄錠；步驟3：將步驟2得到的母合金鑄錠破碎為母合金小塊；步驟4：打開快淬設(shè)備腔體，將步驟3得到的母合金小塊裝入腔體中的底部帶有孔的石英玻璃管內(nèi)，關(guān)閉腔體并抽真空，調(diào)節(jié)腔體內(nèi)外壓力差；在氬氣氣氛保護(hù)下感應(yīng)加熱母合金小塊使其熔融，在石英管內(nèi)外壓差下，熔融狀態(tài)下的母合金噴射到旋轉(zhuǎn)的銅輥表面，冷卻得到條帶。條帶即為Gd-Ni-Al基非晶納米晶復(fù)合材料。優(yōu)選的，步驟3中的母合金小塊的重量為4.5～5.5g；這種重量范圍的母合金小塊在步驟4中熔融時(shí)可以均勻熔融，得到成分均勻的復(fù)合材料。步驟4中的快淬設(shè)備腔體抽真空至10-3Pa以上，這樣，可以保證在制備Gd-Ni-Al基非晶納米晶復(fù)合材料時(shí)，防止空氣或空氣中的雜質(zhì)的污染，使材料更純凈，從而得到制冷效果更好的Gd-Ni-Al基非晶納米晶復(fù)合材料。步驟4中調(diào)節(jié)腔體內(nèi)外壓力差為0.04Mpa，這樣可以保證熔融的母合金小塊以一定的流量噴射到的旋轉(zhuǎn)的銅輥表面，并且在腔體內(nèi)外壓力差為0.04Mpa時(shí)，得到的條帶寬度和厚度更均勻。銅輥表面的線速度為38～40m/s，冷卻速度為103～106K/s，這樣可以使得到的條帶的結(jié)構(gòu)為非晶納米晶結(jié)構(gòu)，在非晶基底上有納米晶析出。在上述的綜合作用下，得到的條帶成分均勻，純度高，并且條帶的寬度和厚度也均勻，從而保證條帶具有更好的制冷能力。附圖說明圖1為Gdx(Ni0.58Al0.42)100-x(x＝80，90)合金條帶在室溫下的X射線衍射圖。圖2為Gdx(Ni0.58Al0.42)100-x(x＝80，90)合金條帶的DSC曲線圖。圖3為Gdx(Ni0.58Al0.42)100-x(x＝80，90)合金條帶在0.2特斯拉場(chǎng)下的變溫磁化曲線；插圖為磁化強(qiáng)度的溫度導(dǎo)數(shù)與溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系。圖4為Gdx(Ni0.58Al0.42)100-x(x＝80)合金條帶在0～5特斯拉磁場(chǎng)下的等溫磁化曲線。圖5為Gdx(Ni0.58Al0.42)100-x(x＝90)合金條帶在0～5特斯拉磁場(chǎng)下的等溫磁化曲線。圖6為Gdx(Ni0.58Al0.42)100-x(x＝80，9本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種Gd?Ni?Al基非晶納米晶復(fù)合材料，其特征在于：所述Gd?Ni?Al基非晶納米晶復(fù)合材料的分子式為GdaNibAlc，其中a、b、c指代各對(duì)應(yīng)元素的原子含量，80≤a≤90，5.8≤b≤11.6，4.2≤c≤8.4，且滿足a+b+c＝100。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種Gd-Ni-Al基非晶納米晶復(fù)合材料，其特征在于：所述Gd-Ni-Al基非晶納米晶復(fù)合材料的分子式為GdaNibAlc，其中a、b、c指代各對(duì)應(yīng)元素的原子含量，80≤a≤90，5.8≤b≤11.6，4.2≤c≤8.4，且滿足a+b+c＝100。2.按照權(quán)利要求1所述的一種Gd-Ni-Al基非晶納米晶復(fù)合材料，其特征在于：a為80或90。3.按照權(quán)利要求1所述的一種Gd-Ni-Al基非晶納米晶復(fù)合材料，其特征在于：b為5.8或11.6。4.按照權(quán)利要求1所述的一種Gd-Ni-Al基非晶納米晶復(fù)合材料，其特征在于：c為4.2或8.4。5.按照權(quán)利要求1-4任意一項(xiàng)所述的一種Gd-Ni-Al基非晶納米晶復(fù)合材料，其特征在于：所述Gd-Ni-Al基非晶納米晶復(fù)合材料具有兩個(gè)制冷溫區(qū)，分別為第一制冷溫區(qū)和第二制冷溫區(qū)；所述第一制冷溫區(qū)的溫度區(qū)間為40K～180K，第二制冷溫區(qū)的溫度區(qū)間為200K～320K；在所述第一制冷溫區(qū)和第二制冷溫區(qū)中的至少一個(gè)內(nèi)，所述Gd-Ni-Al基非晶納米晶復(fù)合材料具有磁熵變平臺(tái)。6.按照權(quán)利要求5所述的一種Gd-Ni-Al基非晶納米晶復(fù)合材料，其特征在于：在第二制冷溫區(qū)內(nèi)，所述Gd-Ni-Al基非晶納米晶復(fù)合材料的居里溫度≥270K。7.按照權(quán)利要求5所述的一種Gd-Ni-Al基非晶納米晶復(fù)合材料，其特征在于...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：鄭強(qiáng)，張琳琳，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：寧波工程學(xué)院，
類型：發(fā)明
國別省市：浙江;33