專利名稱：室溫磁制冷工質(zhì)材料Gd的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種室溫磁制冷工質(zhì)材料Gd5Si2Ge2的制備方法，屬特殊合金材料制備及磁性處理技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
高新綠色磁制冷技術(shù)，與傳統(tǒng)制冷技術(shù)相比，具有對臭氧層無破壞作用，無溫室效應、噪音小、可靠性高、效率高等優(yōu)勢備受歡迎。目前使磁制冷技術(shù)發(fā)展受到限制的是其核心材料磁制冷工質(zhì)的磁熱效應較低；為此，國內(nèi)外科學工作者用很高的外加磁場如超導磁場、電磁鐵磁場來激發(fā)磁制冷工質(zhì)產(chǎn)生高磁熱效應。由于這些磁場結(jié)構(gòu)復雜，價格昂貴，給磁制冷技術(shù)的商業(yè)化帶來很大的阻力。為此，開發(fā)具有高磁熱效應的磁制冷工質(zhì)材料已成為磁制冷技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵。Gd5Si2Ge2作為一種較好的磁制冷工質(zhì)材料在近年來得到廣泛的重視。
目前在Gd5Si2Ge2磁制冷工質(zhì)材料的研究中，以美國依阿華大學Ames實驗室研究的Gd5Si2Ge2合金為代表，它采用熔煉鑄錠法或者用熔體快淬法制備非晶，再經(jīng)熱處理使其形成納米晶，制成納米晶磁制冷工質(zhì)合金材料。然而，該材料在作為室溫磁制冷工質(zhì)材料時，其內(nèi)部的磁疇結(jié)構(gòu)與磁矩在工質(zhì)材料中排列混亂，必須要給與較高的外加磁場變化讓其本來混亂的的磁矩與磁疇重新排列，以產(chǎn)生高的磁熱效應。
一般來說，磁制冷技術(shù)領(lǐng)域的科技工作者利用該材料的特性來運作，其工作原理是將開始時無外加磁場下的工質(zhì)材料因其磁矩取向無規(guī)則性，磁熵大；接著就加一外加磁場給予磁化，使其磁疇磁矩擇優(yōu)取向有序，也即材料內(nèi)部電子自旋有序，使磁熵下降，于是排放熱量；隨后再去掉外加磁場即退磁，磁疇磁矩又成為取向無序，磁熵又增大，于是工質(zhì)材料從外界吸熱，如此反復循環(huán)達到制熱、制冷效果。
目前的室溫磁制冷Gd5Si2Ge2工質(zhì)材料，在制備工藝上也存在一定缺陷。其一是由于工藝上熱處理環(huán)節(jié)不適當，使材料內(nèi)部的磁矩和磁疇難以有序無序排列，一定需要較高的外加磁場才能使其本來混亂的磁矩與磁疇重新整齊排列；其二是在磁場變化下磁疇與磁矩未能達到有序無序的完全轉(zhuǎn)變，因而影響了磁制冷效率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種室溫磁制冷工質(zhì)材料Gd5Si2Ge2的制備方法。本發(fā)明的另一目的是將室溫制冷工質(zhì)材料Gd5Si2Ge2在壓制前粉末狀態(tài)時先作磁場取向處理，以提高材料內(nèi)部的磁疇與磁矩在外加磁場變化下有序無序排列的效率，從而提高其制冷與制熱的效率。
本發(fā)明一種室溫磁制冷工質(zhì)材料Gd5Si2Ge2的制備方法，其特征在于具有以下的工藝過程和步驟a.首先將經(jīng)處理好的高純度原料Gd、Si、Ge以Gd5Si2Ge2化學計量進行配方，得到配合料，將該配合料放置于真空度為2.5～7.0×10-2Pa的中頻感應爐中在充氬氣氛下進行熔煉，制得合金鑄錠；然后在保護氣氛下破碎成粒度為0.5～2.0mm的顆粒；將該0.5～2.0mm顆粒在保護液體下于高能球磨機中研磨成粒度為2～30um的粉末；b.將上述Gd5Si2Ge2粉末裝于沿磁場方向具有高磁導率材料的模具腔內(nèi)，在粉末壓制前先進行充磁，反復充磁多次，并在12～17安培電流狀態(tài)下退磁，交錯循環(huán)多次；c.然后將該與磁場方向取向一致的粉末進行壓制，壓制在專用的充磁成型裝置中進行；該裝置包括有特殊的組合模伯、脈沖磁場和油壓機；Gd5Si2Ge2粉末在該裝置的模具腔中，通過啟動油壓機加壓，開始先在0.5～4.0kg/cm2壓力下進行壓制，隨后將壓坯再在150～215MPa壓力的等靜壓下進一步壓制；d.將壓制好的坯料在真空度為2.5～7.0×10-3Pa、溫度為850～1500℃范圍內(nèi)進行真空燒結(jié)，使其致密化，再在真空度為2.5～7.0×10-3Pa、溫度為850～1000℃下進行真空熱處理，使其均勻化；最終制得室溫磁制冷Gd5Si2Ge2工質(zhì)材料。
在制備過程中，粉末磁場取向所施加的磁感應強度為0.5～2.0T(特斯拉)。
本發(fā)明方法的特點如下所述(1)本發(fā)明方法中，在制備Gd5Si2Ge2工質(zhì)材料開始時，在壓制前粉末狀態(tài)時就作磁場取向處理，使其粉粒內(nèi)部的磁疇和磁矩取向排列有序；在燒結(jié)的過程中，雖磁矩又會處于無序排列，但這時的無序排列對曾經(jīng)取向排列的磁疇和磁矩的有序排列具有記憶效應，能在短時間內(nèi)在外加磁場變化的刺激下恢復到原來的有序排列狀態(tài)。經(jīng)上述處理后，材料中磁疇和磁矩的有序無序排列所需要的加外磁場會變小，克服了傳統(tǒng)工藝中沒有事先磁場取向引起的缺陷。
(2)不但所需的外加磁場變小，而且在較小的外加磁場變化下，能使磁疇和磁矩的有序與無序的轉(zhuǎn)變完全化，且對磁場敏感響應快，從而提高了磁熱效應的工作效率。
(3)本發(fā)明方法的處理工藝可提高工質(zhì)材料的磁矩密度和磁疇密度，因磁熱效應與這些密度有很大關(guān)系，高的磁矩密度和磁疇密度，在外加磁場和溫度變化下會產(chǎn)生高的磁熵變化，從而產(chǎn)生高的磁熱效應。


圖1為本發(fā)明方法中所用的Gd5Si2Ge2工質(zhì)材料粉末顆粒磁場取向時的模具示意圖。
具體實施例方式
現(xiàn)將本發(fā)明的具體實施例敘述于后。
實施例1本發(fā)明實施例的工藝過程和步驟如下所述(1)首先將經(jīng)處理好的高純度原料Gd、Si、Ge以Gd5Si2Ge2化學計量進行配方，得到配合料，將該配合料放置于真空度為5.0×10-2Pa的中頻感應爐中在充氬氣氛下進行熔煉，制得合金鑄錠；然后在保護氣氛下破碎成平均粒度為1.0mm的顆粒，將該顆粒在保護液體下于高能球磨機中研磨成平均粒度為20um的粉末；(2)將上述Gd5Si2Ge2粉末裝于沿磁場方向具有高磁導率材料的模具腔內(nèi)(參見圖1)，在粉末壓制前先進行充磁，即在130安培的電流磁場下將粉末進行磁場取向，反復充磁多次，并在15安培電流狀態(tài)下退磁，交錯循環(huán)多次；(3)然后將該與磁場方向取向一致的粉末進行壓制，壓制在專用的充磁成型裝置中進行，該裝置包括有特殊的組合模具、脈沖磁場和油壓機(在圖1中僅示出模具)，粉末磁場取向所施加的磁感應強度為1.5T(特斯拉)；Gd5Si2Ge2粉末在該裝置的模具腔中，通過啟動油壓機加壓，開始先在3.0kg/cm2壓力下進行壓制，隨后將壓坯再在200MPa壓力的等靜壓下進一步壓制；(4)將壓制好的坯料在真空度為5.0×10-3Pa、溫度為1450℃下進行真空燒結(jié)，使其致密化，再在真空度為5.0×10-3Pa、溫度為950℃下進行真空熱處理，使其均勻化；最后制得室溫磁制冷Gd5Si2Ge2工質(zhì)材料。
權(quán)利要求
1.一種室溫磁制冷工質(zhì)材料Gd5Si2Ge2的制備方法，其特征在于具有以下的工藝過程和步驟a.首先將經(jīng)處理好的高純度原料Gd、Si、Ge以Gd5Si2Ge2化學計量進行配方，得到配合料，將該配合料放置于真空度為2.5～7.0×10-2Pa的中頻感應爐中在充氬氣氛下進行熔煉，制得合金鑄錠；然后在保護氣氛下破碎成粒度為0.5～2.0mm的顆粒；將該0.5～2.0mm顆粒在保護液體下于高能球磨機中研磨成粒度為2～30um的粉末；b.將上述Gd5Si2Ge2粉末裝于沿磁場方向具有高磁導率材料的模具腔們，在粉末壓制前先進行充磁，反復充磁多次，并在12～17安培電流狀態(tài)下退磁，交錯循環(huán)多次；c.然后將該與磁場方向取向一致的粉末進行壓制，壓制在專用的充磁成型裝置中進行；該裝置包括有特殊的組合模伯、脈沖磁場和油壓機；Gd5Si2Ge2粉末在該裝置的模具腔中，通過啟動油壓機加壓，開始先在0.5～4.0kg/cm2壓力下進行壓制，隨后將壓坯再在150～215MPa壓力的等靜壓下進一步壓制；d.將壓制好的坯料在真空度為2.5～7.0×10-3Pa、溫度為850～1500℃范圍們進行真空燒結(jié)，使其致密化，再在真空度為2.5～7.0×10-3Pa、溫度為850～1000℃下進行真空熱處理，使其均勻化；最終制得室溫磁制冷Gd5Si2Ge2工質(zhì)材料。
2.如權(quán)利要求1所述的一種室溫磁制冷工質(zhì)材料Gd5Si2Ge2的制備方法，其特征是所述的粉末磁場取向所施加的磁感應強度為0.5～2.0T(特斯拉)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種室溫磁制冷工質(zhì)材料Gd
文檔編號H01F1/22GK1804066SQ20051011192
公開日2006年7月19日 申請日期2005年12月23日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月23日
發(fā)明者侯雪玲, 孔俊峰, 李士濤, 張少杰, 張岸, 倪建森, 徐暉, 沈紹義, 周邦新 申請人:上海大學, 上海洛克磁業(yè)有限公司