本发明专利技术公开了一种用于磁制冷的稀土高熵合金;该稀土高熵合金的组成为PrxNdxGdxTbxDyx,其中x为原子百分比,x=20,采用高真空电弧炉熔炼而成。本发明专利技术的高熵合金由五种不同的镧系稀土元素制得,熔炼成的合金组织致密均匀,性能稳定,磁热效应大,在0~5T磁场变化下的最大磁熵变为1.2J/Kg·K‑1,相对制冷容量为66.6J/Kg,可应用在高温磁制冷领域,制备工艺简单,适于大规模批量化生产。
A rare earth high entropy alloy for magnetic refrigeration
The present invention discloses a rare earth high entropy alloy for magnetic refrigeration; the composition of the rare earth high entropy alloy is PrxNdxGdxTbxDyx, in which X is atomic percentage, x = 20, and is melted by high vacuum arc furnace. The high entropy alloy of the invention is made of five different lanthanide rare earth elements. The alloy has a compact and uniform structure, stable performance and great magneto thermal effect. The maximum magnetic entropy of the 0 to 5T magnetic field is changed to 1.2J/Kg / K 1, and the relative refrigeration capacity is 66.6J/Kg. It can be applied in the field of high temperature magnetic refrigeration, and the preparation process is simple and suitable. Mass production on a large scale.
【技术实现步骤摘要】
一种用于磁制冷的稀土高熵合金
本专利技术属于合金材料领域,涉及一种稀土合金,具体涉及一种用于磁制冷技术的稀土高熵合金。
技术介绍
传统的气体压缩制冷技术广泛应用于各行各业,形成了庞大的产业,但它存在,但它存在制冷效率低、能耗大、破坏大气环境等缺点。气体压缩制冷技术已经不符合绿色环保的人类社会发展趋势。磁制冷技术是指以磁性材料为制冷工质的一种新型制冷技术。磁制冷作为一项高新绿色制冷技术,与传统气体压缩制冷相比具有如下竞争优势:(1)无环境污染;由于工质本身为固体合金材料以及可用水作为传热介质,消除了因使用氟利昂、氨及碳氢化合物等制冷剂所带来的破坏臭氧层、有毒、易泄漏、易燃、易爆等损害环境的缺陷;(2)高效节能:磁制冷技术的制冷效率可达到卡诺循环的30%~60%;节能优势显著;(3)制冷机小型化:由于磁工质是固体,其熵密度远远大于气体的熵密度,因而易于做到小型化;(4)稳定性、可靠性高:由于无压缩机,运动部件少,可大幅降低机械振动与噪声,可靠性高,寿命长,维修简单方便。目前磁制冷技术尚处于实验室探索阶段,而取决于这一技术能否走出实验室,走进千家万户的关键是寻找优异的磁制冷材料。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种高效节能,对环境友好的用于磁制冷的稀土高熵合金。为实现上述目的,本专利技术采用的技术方案是:一种用于磁制冷的稀土高熵合金,该合金的组成为PrxNdxGdxTbxDyx,其中x为原子百分比,x=20。进一步地,该稀土高熵合金采用高真空电弧熔炼炉熔炼而成。进一步地,该稀土高熵合金通过以下步骤制备而成:(1)按照原子百分比分别称取稀土金属镨Pr、钕Nd、钆Gd、铽Tb、镝Dy,均匀混合成原料;(2)将步骤(1)混合得到的原料置于电弧炉内,对电弧炉抽真空,保证炉膛真空度低于10-3Pa,用高纯氩气清洗炉膛至少2次,然后充入氩气使炉内的压力达到0.05MPa,以大小为500A的电流对原料进行熔炼,每次熔炼时间为5分钟,重复熔炼6次,熔炼完成将样品快速冷却至室温,开炉取样即可得到成分均匀的合金铸锭。该稀土高熵合金可应用在高温区磁制冷领域。本专利技术所述的稀土高熵合金中各元素的作用如下;镧系稀土元素(尤其是重稀土元素,如钆,铽,镝)由于其特殊的4f电子层结构,本身具有较大的原子磁矩;在外加磁场的作用下磁矩会发生偏转,从而产生有序度变化,产生较大的磁熵变,从而产生吸放热现象,这就是物质的磁热效应。物质吸放热的同时人为控制吸放热的方向进而可以实现制冷的目的。五种稀土元素合金化后可以克服单一元素存在的易氧化,稳定性差等缺点,同时扩大了材料的制冷温度区间,从而提高了材料的相对制冷容量。除此之外,高熵合金的熵稳定化作用会增强材料的磁热效应。本专利技术的有益效果是:(1)磁热效应大:五种稀土元素合金化后克服了单一元素存在的易氧化,稳定性差等缺点,同时扩大了材料的制冷温度区间,从而提高了材料的相对制冷容量。除此之外,高熵合金的熵稳定化作用增强了材料的磁热效应,用作磁工质的材料磁热效应越大,相对制冷功率就越高,制冷效率就越高,实际应用就越广泛,成本也越低。(2)制备方法简单:该稀土高熵合金制备过程仅需采用高真空电弧熔炼一种制备工艺,该工艺仅需控制炉膛真空度大小及电弧熔炼过程电流大小,工艺流程简单。(3)原材料选材简单:该合金所有组分均采用稀土元素,拓宽了稀土资源的利用领域。附图说明图1是本专利技术实施例1制备的稀土高熵合金的XRD衍射图谱;图2是本专利技术实施例1制备的稀土高熵合金的扫描电镜图(放大500倍);图3是本专利技术实施例1制备的稀土高熵合金的扫描电镜图(放大2000倍);图4是本专利技术实施例1制备的稀土高熵合金的高分辨透射电镜图;图5是本专利技术实施例1制备的稀土高熵合金的在透射电镜下的能谱图;图6是本专利技术实施例1制备的稀土高熵合金的磁化强度随温度的变化曲线图;图7是本专利技术实施例1制备的稀土高熵合金的磁化强度随外磁场的变化曲线图。具体实施方式下面通过具体实施例对本专利技术作进一步的详细描述。实施例1:一种用于磁制冷的稀土高熵合金,其按原子百分比组成为20%镨,20%钕,20%钆,20%铽,20%镝。以上各稀土金属原材料的纯度均为99.9%。采用高真空电弧熔炼的方法使其合金化,均匀化。具体步骤如下:(1)按照原子百分比分别称取稀土金属镨Pr、钕Nd、钆Gd、铽Tb、镝Dy,混合均匀;(2)将原料置于电弧炉内,对电弧炉抽真空,保证炉膛真空度低于10-3Pa,用高纯氩气清洗炉膛至少2次,然后充入氩气使炉内的压力达到0.05MPa,以大小为500A的电流对原料进行熔炼,每次熔炼时间为5min,重复熔炼6次,熔炼完成将样品快速冷却至室温,开炉取样即可得到成分均匀的合金铸锭。利用德国BrukerD8ADVANCEX射线衍射仪测定所制备稀土高熵合金的XRD衍射图谱,具体的参数设置如下:扫描速率:3°/min;扫描范围2θ:10°~90°。通过XRD衍射图谱推断稀土高熵合金的晶体结构为密排立方结构(HCP结构)的均一固溶相。和传统合金相比,该合金的衍射峰比较宽,可能是由于结构高熵引起的HCP晶格畸变造成的。对于这种元素随机混合的固溶体相,根据Vegard定律估算其晶格参数,见表1。表1Pr20Nd20Gd20Tb20Dy20合金及其组元相关参数利用美国FEIQuanta250扫描电子显微镜和日本JEM-2100高分辨透射电子显微镜观察所制备稀土高熵合金的表面形貌,结果如图2至图4所示。在扫描电镜图片中可以观察到合金相有连续均匀的基体,为连续均一的固溶相,同时可见不规则的晶界。在高分辨TEM照片中可以清晰的看到原子呈现紧密有序地规则排列,合金的原子排列组成具有明显的方向性和规律性,合金本身具有良好的结晶性。选取三个区域进行透射电镜下的元素含量标定,具体结果见图5和表2。氧、铬和铯元素三种元素为制样测试过程中引入的误差,分析中需要忽略;可以看到合金化后各区域的稀土元素依然接近等原子比,没有明显偏析偏聚现象,具有良好的合金形成能力。表2Pr20Nd20Gd20Tb20Dy20合金在能谱图中各元素的原子百分比统计元素OCrAsPrNdGdTbDy总量wt%7.401.650.2617.1415.9019.8518.7919.01100原子百分比42.382.910.3111.1510.1011.5710.8410.72100利用美国QuantumDesignMPMS-7超导量子磁强干涉计SQUID测量实施例1制备得到的稀土高熵合金的磁化强度随温度、外磁场的变化曲线(如图6、图7所示),直观地反应了合金的磁性随温度、外磁场变化时产生的变化趋势,确定居里温度,通过麦克斯韦关系计算合金材料的最大磁熵变和相对制冷容量,结果如表3所示:表3Pr20Nd20Gd20Tb20Dy20合金的磁热效应及制冷能力通过表3的数据可知,实施例1制备得到的Pr20Nd20Gd20Tb20Dy20合金的居里温度相比参考合金Dy25Er25Ho25Tb25由52K提高到了90K,将制冷温区由中温区提高到了高温区,提高了材料在社会生产中应用的宽广度;同时磁熵变和相对制冷容量也获得了显著增强,提高了材料的制冷效率,也提高了在生产中实际应用的可能性。该合金材料的磁转变温度在磁制冷材料的高温区范围,因本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种用于磁制冷的稀土高熵合金,其特征在于:该合金的组成为PrxNdxGdxTbxDyx,其中x为原子百分比,x=20。
【技术特征摘要】
1.一种用于磁制冷的稀土高熵合金,其特征在于:该合金的组成为PrxNdxGdxTbxDyx,其中x为原子百分比,x=20。2.如权利要求1所述的用于磁制冷的稀土高熵合金,其特征在于:该合金采用高真空电弧炉熔炼而成。3.如权利要求1或2所述的用于磁制冷的稀土高熵合金,其特征在于:该合金通过以下步骤制备而成:(1)按照原子百分比分别称取稀土金属镨Pr、钕Nd、钆Gd、铽Tb、镝Dy,混合均匀...
【专利技术属性】
技术研发人员:陈正,王尚,张跃,冯梁成,刘雨雨,张金勇,张平,沈宝龙,
申请(专利权)人:中国矿业大学,
类型:发明
国别省市:江苏,32
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