一种具有磁各向异性的NiMnGa颗粒/聚合物复合材料的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种具有磁各向异性的NiMnGa颗粒/聚合物复合材料的制备方法，属于磁制冷技术领域。本发明专利技术要解决制备过程中颗粒沉积、外加磁场后颗粒难以定向等技术难题。本发明专利技术是通过多次感应熔炼的方式熔炼镍锰镓合金铸锭，再经过切割后打磨，超声清洗，烘干，压碎后研磨，筛选，得到单晶微米颗粒，再将微米颗粒于磁场下定向包埋于聚合物中，制备出具有磁各向异性能的镍锰镓/聚合物复合材料。本发明专利技术制备的复合材料颗粒定向程度高，磁各向异性良好，机械稳定性良好，应用于旋转磁制冷。应用于旋转磁制冷。应用于旋转磁制冷。

【技术实现步骤摘要】
一种具有磁各向异性的NiMnGa颗粒/聚合物复合材料的制备方法


[0001]本专利技术属于磁制冷
，具体涉及一种具有磁各向异性的NiMnGa颗粒/聚合物复合材料的制备方法。

技术介绍

[0002]磁制冷是一种节能、环保的制冷技术，相较于传统的气体压缩制冷，具有高效节能、绿色环保、磁熵密度大、振动及噪音小、寿命长、传热块以及应用温度范围广等特点。在低温领域，磁制冷技术已经获得了广泛的应用，如在制备液氢、太空天文探测、低温生物医学、低温物理、磁共振成像仪等领域然而在室温领域，由于材料、磁场和设备等诸多原因限制，磁制冷技术仍处于研究阶段，但是该技术依然具有广泛的发展前景，例如，室温磁制冷材料可应用于自动售货冷饮机、冰箱、空调、交流发电机等设备上，使得这些设备向轻型、便宜和高效化发展，因而磁制冷技术在室温领域的应用仍具有很高的研究价值和应用价值。
[0003]虽然磁制冷技术具有显著的优势，但是目前的磁制冷机因为涉及磁场的施加和移除，或者将磁性材料从制冷机中反复取出等方式，势必造成制冷机结构复杂、体积大、能源消耗大、制冷效率低、无法实现高频制冷等问题。Ni
‑
Mn
‑
Ga铁磁记忆合金的铁磁相为低对称性的马氏体相(c<a≈b)，存在强磁晶各向异性(不同晶向上磁化性质不同)，使得易磁化方向(c轴)和难磁化方向(a/b轴)所能产生的磁熵不同，即在恒定磁场下，仅需通过旋转合金，即可产生较大的磁熵变，从而达到制冷的目的，并由于其相变温度可通过成分调节，是目前可实现室温旋转磁制冷的理想材料。然而，大块多晶合金滞后较大且具有很强的沿晶断裂倾向，单晶合金性能好但制备困难且成本高，限制了应用。

技术实现思路

[0004]本专利技术针对镍锰镓合金本身在磁制冷过程中存在机械稳定性差、单晶制备困难等问题，提出了一种具有磁各向异性的Ni
‑
Mn
‑
Ga颗粒/聚合物复合材料的制备方法。
[0005]本专利技术拟通过将镍锰镓合金制备为单晶微米颗粒，并将微米颗粒于磁场下定向包埋于聚合物中，制备出具有磁各向异性能的镍锰镓/聚合物复合材料，进而为该类合金在室温旋转磁制冷方面存在的问题提供解决方案。
[0006]本专利技术方法主要解决了复合材料制备过程中颗粒沉积、外加磁场后颗粒难以定向等技术难题，达到制得机械稳定性良好、磁各向异性能优异的颗粒/聚合物复合材料的目的，为解决镍锰镓合金在旋转磁制冷应用中存在的一系列问题奠定基础。
[0007]为解决上述技术问题，本专利技术的具有磁各向异性的NiMnGa颗粒/聚合物复合材料的制备方法是通过下述步骤实现的：
[0008]步骤一、根据设计成分对金属原料进行称取，其中Mn元素过量1.5wt.％～2.0wt.％；
[0009]步骤二、然后通过多次感应熔炼的方式熔炼金属铸锭，熔炼完毕后保温处理至少
24h；
[0010]步骤三、将铸锭切割后打磨，超声清洗，烘干，压碎后研磨，筛选，得到粒径为60μm～80μm合金颗粒；
[0011]步骤四、对步骤三获得合金颗粒在惰性气氛下真空热处理；
[0012]步骤五、将合金颗粒装入内表面涂有脱模剂的软模具中，将环氧树脂边搅拌边加热至100℃，添加固化剂，随后立刻将搅拌均匀的混合物倾倒在装有当中，当温度降到50℃时，将软模具放置在磁场发生器的两极之间，使用稳压直流电源对磁场发生器进行通电，纵向磁场气隙控制在15mm～20mm，通过调节稳压电源的输出电流，使磁场发生器两极间的磁场达到1T以上，施加磁场后，合金颗粒在磁力的作用下由混乱排布逐渐转变为链状排布，且合金颗粒的易磁化轴转向磁场方向，在该状态下对聚合物进行室温固化，保持至少45h，然后从磁场中取出进行脱模，再保温至少2h，即得到所述复合材料。
[0013]进一步的，设计成分为25.44at.％Ni、4.86at.％Mn和38.83at.％Ga。
[0014]进一步的，步骤二熔炼至少4次。
[0015]进一步的，步骤二在1000℃下保温24h。
[0016]进一步的，步骤三采用丙酮超声清洗，超声清洗5min～10min。
[0017]进一步的，步骤三在393K下烘干10min。
[0018]进一步的，步骤三压碎至合金颗粒尺寸在1mm以下。
[0019]进一步的，步骤四真空热处理过程中真空度为0.3
×
10
‑3Pa～0.5
×
10
‑3Pa，先升温至725℃，保温2h，随后将降温至700℃并保温10h，接着降温至500℃并保温20h，最后随炉冷却，降温速率均为7℃/min～10℃/min。
[0020]进一步的，步骤五中固化剂为聚胺醚。
[0021]进一步的，步骤五中固化剂与环氧树脂的质量比为1:3。
[0022]进一步的，步骤五中合金颗粒添加量不超过30wt.％。
[0023]进一步的，步骤五在100℃下保温2h～3h。
[0024]与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：
[0025]本专利技术制备的复合材料中合金颗粒为单晶颗粒。
[0026]本专利技术制备的复合材料中合金颗粒在外加磁场的作用下发生了宏观的定向排布，形成了如同合金纤维一般的颗粒束，每条颗粒束都是由若干的微米合金颗粒组成，且颗粒束之间维持一定距离，对于相邻的两条颗粒束而言，颗粒束之间几乎没有颗粒分布，从而使得复合材料表现出良好的机械稳定性。
[0027]本专利技术制备的复合材料颗粒定向程度高，磁各向异性良好。
附图说明
[0028]图1是合金颗粒的微观形貌，a)SEM图像；b)金相偏光图像；
[0029]图2是磁场固化复合材料的a)横切片；b)纵切片；c)纵切面50倍放大图像；d)纵切面100倍放大图像；
[0030]图3是合金质量分数为10wt.％的复合材料不同方向的磁化曲线，a)无磁场固化，图中G方向为固化时重力方向；b)有磁场固化。
具体实施方式
[0031]通过下面的实施例，以便更好地理解本专利技术。但本专利技术并不限于具体实施方式描述的内容。
[0032]实施例1：以下为具有磁各向异性的NiMnGa颗粒/聚合物复合材料的具体制备方法。
[0033]1.合金铸锭的制备。为了获得相变温度在室温附近的镍锰镓合金，根据经验公式，镍锰镓合金的相变温度可以粗略地表达为：
[0034]M
s
(K)＝25.44Mi(at.％)
‑
4.86Mn(at.％)
‑
38.83Ga(at.％)
ꢀꢀꢀ
(1)
[0035]根据公式(1)计算镍锰镓合金中各元素的含量，同时考虑到铸锭熔炼以及热处理过程中Mn元素的挥发，在设计成分的基础上，额外添加1.5wt.％的Mn元素。根据设计成分对金属原料进行称取，再通过感应熔炼的方式熔炼金属铸锭，将铸锭重熔3～5次以确保其成分均本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有磁各向异性的NiMnGa颗粒/聚合物复合材料的制备方法，其特征在于所述制备方法是通过下述步骤实现的：步骤一、根据设计成分对金属原料进行称取，其中Mn元素过量1.5wt.％～2.0wt.％；步骤二、然后通过多次感应熔炼的方式熔炼金属铸锭，熔炼完毕后保温处理至少24h；步骤三、将铸锭切割后打磨，超声清洗，烘干，压碎后研磨，筛选，得到粒径为60μm～80μm合金颗粒；步骤四、对步骤三获得合金颗粒在惰性气氛下真空热处理；步骤五、将合金颗粒装入内表面涂有脱模剂的软模具中，将环氧树脂边搅拌边加热至100℃，添加固化剂，随后立刻将搅拌均匀的混合物倾倒在装有当中，当温度降到50℃时，将软模具放置在磁场发生器的两极之间，使用稳压直流电源对磁场发生器进行通电，纵向磁场气隙控制在15mm～20mm，通过调节稳压电源的输出电流，使磁场发生器两极间的磁场达到1T以上，施加磁场后，合金颗粒在磁力的作用下由混乱排布逐渐转变为链状排布，且合金颗粒的易磁化轴转向磁场方向，在该状态下对聚合物进行室温固化，保持至少45h，然后从磁场中取出进行脱模，再保温至少2h，即得到所述复合材料。2.根据权利要求1所述的一种具有磁各向异性的NiMnGa颗粒/聚合物复合材料的制备方法，其特征在于设计成分为25.44at.％Ni、4.86at.％Mn和38.83at.％Ga。3.根据权利要求1所述的一种具有磁各向异性的NiMnGa颗粒/聚合物复合材料的制备方法，其特征在于步骤二熔炼至少4次。4.根据权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：钱明芳，孙柏彤，张风华，张学习，耿林，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：