一种Gd‑Ni‑Al基非晶纳米晶复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种Gd‑Ni‑Al基非晶纳米晶复合材料，分子式为GdaNibAlc，其中a、b、c指代各对应元素的原子含量，80≤a≤90，5.8≤b≤11.6，4.2≤c≤8.4，且满足a+b+c＝100。本发明专利技术得到的Gd‑Ni‑Al基非晶纳米晶复合材料具有非晶/纳米晶复相结构，具有两个制冷温区，并且具有一个或两个磁熵变平台，其高温磁有序温度在270K以上，5T磁场下的磁熵变可以达到6.7J/kg/K，由于磁转变温度区间较宽，其制冷能力高达640J/kg以上，因此是一种良好的磁制冷材料，可以在两个制冷温区两个区间均可作为磁制冷工质应用。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及稀土基非晶纳米晶复合材料
，具体讲的是一种具有磁熵变平台和双制冷温区的Gd-Ni-Al基非晶纳米晶复合材料及其制备方法。
技术介绍
传统的气体压缩制冷技术不仅存在温室效应而且可能破坏臭氧层，与之相比，磁制冷技术具有绿色环保、高效节能、体积小、寿命长和安全可靠的优势，因此寻找高效的磁制冷工质材料成为人们比较关注的问题。磁致冷是依靠磁热效应达到制冷效果的，因此磁热效应是磁致冷能够实现的基础。由磁性粒子构成的固体磁性物质，在受到外磁场作用被磁化时，系统的磁有序度加强(磁熵减少)，对外放出热量；将其去磁，则固体的磁有序度下降(磁熵增大)，要从外界吸收热量，这种绝热磁化－退磁引起的放热和吸热过程用一个循环连接起来，那么磁性材料就会一端持续吸热而另一端持续放热，这样就会起到制冷的目的。在磁制冷机种，卡诺循环有其适用的范围，即温度低于15K。而当温度超过15K，固体物质中的晶格熵在总熵的比例较大，此时卡诺循环失效，应当采用埃里克森循环，来降低晶格熵的影响。由于埃里克森循环要求工质在循环过程中保持回热平衡，所以磁制冷工质材料在磁熵变曲线上具有平台现象即具有磁熵变平台的磁制冷工质是最佳选择。所述磁熵变平台是指：材料的磁熵变随温度变化曲线在某温度区间时，材料的磁熵变数值保持恒定。因此，从使用的角度来讲，具有磁熵变平台的磁制冷材料对制冷机的设计和磁热效应的最终实现具有重要意义。另外，具有磁熵变平台的制冷工制材料在相同条件下的制冷能力大于没有磁熵变平台的材料。这是因为材料的制冷能力(T1、T2分别代表峰值半高宽处温度点)，也就是说材料的制冷能力RC为磁熵变随温度变化曲线上T1至T2之间的积分面积，由于具有磁熵变平台的制冷工制材料在相同条件下，在磁熵变随温度变化曲线上T1至T2之间的积分面积要大，所以其制冷能力要强。然而，对于绝大部分铁磁材料而言，其磁熵变随温度变化曲线的特征是：在磁有序温度附近，材料的磁熵变达到最大值；在磁熵变温度的两侧，随温度升高和降低，磁熵变都减小。
也就是说，对于绝大部分铁磁材料而言均不具有磁熵变平台。并且，磁制冷工质材料的制冷能力还与材料的制冷区间有关。材料的制冷区间是指材料能产生制冷能力的温度范围。材料的制冷区间越宽，表示材料在越大的温度范围内能产生制冷能力。而目前，大部分的磁制冷工质材料只具有一个制冷区间，这样，就限制了磁制冷工质材料的制冷应用。所以，寻找制冷区间宽且具有磁熵变平台的磁制冷工质在磁制冷技术的应用上显得尤为重要。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是，提供一种具有磁熵变平台和双制冷温区的Gd-Ni-Al基非晶纳米晶复合材料。为解决上述技术问题，本专利技术的一种Gd-Ni-Al基非晶纳米晶复合材料，其分子式为GdaNibAlc，其中a、b、c指代各对应元素的原子含量，80≤a≤90，5.8≤b≤11.6，4.2≤c≤8.4，且满足a+b+c＝100。优选的，a为80或90。优选的，b为5.8或11.6。优选的，c为4.2或8.4。本专利技术的一种Gd-Ni-Al基非晶纳米晶复合材料具有两个制冷温区，分别为第一制冷温区和第二制冷温区；所述第一制冷温区的温度区间为40K～180K，第二制冷温区的温度区间为200K～320K；在所述第一制冷温区和第二制冷温区中的至少一个内，所述Gd-Ni-Al基非晶纳米晶复合材料具有磁熵变平台。在第二制冷温区内，所述Gd-Ni-Al基非晶纳米晶复合材料的居里温度≥270K。在第二制冷温区内且在5T磁场的情况时，所述Gd-Ni-Al基非晶纳米晶复合材料的磁熵变为6.5～6.9J/kg/K。本专利技术的一种Gd-Ni-Al基非晶纳米晶复合材料的制冷能力≥640J/kg。上述Gd-Ni-Al基复合材料为非晶纳米晶结构，在非晶基底上有纳米晶析出。本专利技术与现有技术相比，具有以下优点：1.由于本专利技术的一种Gd-Ni-Al基非晶纳米晶复合材料具有两个制冷温区，也就是说它在两个制冷温区内均具有制冷能力，这样，两个制冷温区就扩大了本专利技术的制冷应用范围。2.本专利技术的一种Gd-Ni-Al基非晶纳米晶复合材料在其第一制冷温区和第二制冷温区中的至少一个内具有磁熵变平台。这样，由于磁熵变平台的存在，在作为磁制冷工质材料采用埃里克森循环时，可以保证工质在循环过程中保持回热平衡，从而具有更稳定和更大的制冷能
力。3.该Gd-Ni-Al基非晶纳米晶复合材料具有磁熵变平台和双制冷温区：在第一制冷温区具有至少一个磁熵变平台现象，而其在第二制冷温区具有较高的居里温度，同时还具有较大的磁熵变，其居里温度在270K以上，磁熵变半高宽温区高达120K，5T磁场下的磁熵变大于6.5J/kg/K。另外，该Gd-Ni-Al基非晶纳米晶复合材料的制冷能力高达640J/kg以上，因此是一种良好的磁制冷材料，可以作为近室温磁制冷工质应用。一种Gd-Ni-Al基非晶纳米晶复合材料的制备方法，它包括以下步骤：步骤1：将Gd、Ni、Al元素按照所述分子式中的原子比配制原料；步骤2：将步骤1中配制的原料放入熔炼炉中，在氩气保护气氛下进行熔炼，得到成分均匀的母合金铸锭；步骤3：将步骤2得到的母合金铸锭破碎为母合金小块；步骤4：打开快淬设备腔体，将步骤3得到的母合金小块装入腔体中的底部带有孔的石英玻璃管内，关闭腔体并抽真空，调节腔体内外压力差；在氩气气氛保护下感应加热母合金小块使其熔融，在石英管内外压差下，熔融状态下的母合金喷射到旋转的铜辊表面，冷却得到条带。条带即为Gd-Ni-Al基非晶纳米晶复合材料。优选的，步骤3中的母合金小块的重量为4.5～5.5g；这种重量范围的母合金小块在步骤4中熔融时可以均匀熔融，得到成分均匀的复合材料。步骤4中的快淬设备腔体抽真空至10-3Pa以上，这样，可以保证在制备Gd-Ni-Al基非晶纳米晶复合材料时，防止空气或空气中的杂质的污染，使材料更纯净，从而得到制冷效果更好的Gd-Ni-Al基非晶纳米晶复合材料。步骤4中调节腔体内外压力差为0.04Mpa，这样可以保证熔融的母合金小块以一定的流量喷射到的旋转的铜辊表面，并且在腔体内外压力差为0.04Mpa时，得到的条带宽度和厚度更均匀。铜辊表面的线速度为38～40m/s，冷却速度为103～106K/s，这样可以使得到的条带的结构为非晶纳米晶结构，在非晶基底上有纳米晶析出。在上述的综合作用下，得到的条带成分均匀，纯度高，并且条带的宽度和厚度也均匀，从而保证条带具有更好的制冷能力。附图说明图1为Gdx(Ni0.58Al0.42)100-x(x＝80，90)合金条带在室温下的X射线衍射图。图2为Gdx(Ni0.58Al0.42)100-x(x＝80，90)合金条带的DSC曲线图。图3为Gdx(Ni0.58Al0.42)100-x(x＝80，90)合金条带在0.2特斯拉场下的变温磁化曲线；插图为磁化强度的温度导数与温度的对应关系。图4为Gdx(Ni0.58Al0.42)100-x(x＝80)合金条带在0～5特斯拉磁场下的等温磁化曲线。图5为Gdx(Ni0.58Al0.42)100-x(x＝90)合金条带在0～5特斯拉磁场下的等温磁化曲线。图6为Gdx(Ni0.58Al0.42)100-x(x＝80，9本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种Gd‑Ni‑Al基非晶纳米晶复合材料，其特征在于：所述Gd‑Ni‑Al基非晶纳米晶复合材料的分子式为GdaNibAlc，其中a、b、c指代各对应元素的原子含量，80≤a≤90，5.8≤b≤11.6，4.2≤c≤8.4，且满足a+b+c＝100。

【技术特征摘要】
1.一种Gd-Ni-Al基非晶纳米晶复合材料，其特征在于：所述Gd-Ni-Al基非晶纳米晶复合材料的分子式为GdaNibAlc，其中a、b、c指代各对应元素的原子含量，80≤a≤90，5.8≤b≤11.6，4.2≤c≤8.4，且满足a+b+c＝100。2.按照权利要求1所述的一种Gd-Ni-Al基非晶纳米晶复合材料，其特征在于：a为80或90。3.按照权利要求1所述的一种Gd-Ni-Al基非晶纳米晶复合材料，其特征在于：b为5.8或11.6。4.按照权利要求1所述的一种Gd-Ni-Al基非晶纳米晶复合材料，其特征在于：c为4.2或8.4。5.按照权利要求1-4任意一项所述的一种Gd-Ni-Al基非晶纳米晶复合材料，其特征在于：所述Gd-Ni-Al基非晶纳米晶复合材料具有两个制冷温区，分别为第一制冷温区和第二制冷温区；所述第一制冷温区的温度区间为40K～180K，第二制冷温区的温度区间为200K～320K；在所述第一制冷温区和第二制冷温区中的至少一个内，所述Gd-Ni-Al基非晶纳米晶复合材料具有磁熵变平台。6.按照权利要求5所述的一种Gd-Ni-Al基非晶纳米晶复合材料，其特征在于：在第二制冷温区内，所述Gd-Ni-Al基非晶纳米晶复合材料的居里温度≥270K。7.按照权利要求5所述的一种Gd-Ni-Al基非晶纳米晶复合材料，其特征在于...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑强，张琳琳，
申请(专利权)人：宁波工程学院，
类型：发明
国别省市：浙江;33