本发明专利技术涉及用于感应加热或冷却和/或磁热或热电式加热或冷却装置的材料和组合物。一方面，本发明专利技术提供用于热电电池或泡利电池中的材料和组合物。另一方面，本发明专利技术提供顺磁性材料和组合物优化用于感应加热或者磁热或热电式冷却和/或加热装置中，由此提供稳定的磁化率和/或高的热导率性能。和/或高的热导率性能。和/或高的热导率性能。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于任何磁热或热电应用的顺磁性材料和组装体
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求2019年12月12日提交的美国临时专利申请No.62/947,102的优先权，将其全部内容引入本文以供参考。
[0003]领域
[0004]本专利技术涉及合金用于经由施加磁场和/或电流提供固态温度变化的用途。
技术介绍
[0005]磁热效应(MCE)或绝热温度变化(ΔTad)一般随着磁性材料由于磁场变化所引起的加热或冷却而测得。在实践中，所有原子以某些方式对磁场做出响应，但是它们根据在原子核周围的构造而以不同方式做出响应。根据此构造，元素可以是抗磁性、顺磁性或铁磁性的。
[0006]抗磁性元素基本上都在一定程度上被磁场微弱排斥，而顺磁性元素被微弱吸引且可以变成磁化的。铁磁性材料也具有变成磁化的能力，但是与顺磁性元素不同的是，这种磁化是永久的。顺磁性和铁磁性都比抗磁性更强，所以显示顺磁性或铁磁性的元素将不再具有抗磁性。
[0007]仅仅一些元素在室温下是铁磁性的。这些元素包括铁(Fe)、镍(Ni)、钴(Co)、钆(Gd)和近期发现的钌(Ru)。永久磁铁可以使用任何这些金属通过使金属暴露于磁场而获得。
[0008]顺磁性原子的种类明显更多。顺磁性元素在磁场的存在下变成磁性的，但是一旦移除磁场就会损失其磁性。此现象的原因是在这种元素的外部轨道壳层中存在一个或多个未配对电子。
[0009]每个原子具有带负电荷的电子云和变成磁性的潜力，但是原子显示铁磁性、顺磁性或是抗磁性将取决于电子的构造。在确定电子如何决定占据原子核周围的哪个轨道时，电子具有自旋的性质，这大致是旋转的方向。
[0010]另外，电子可以显示“自旋向上”(可以视为顺时针旋转)或“自旋向下”(逆时针旋转)。它们本身按照与核之间的增加且严格限定的距离来排布，称为壳层，并在每个壳层内有多个亚壳层，这些亚壳层具有离散数目的轨道，这些轨道可以被最多两个电子占据，每个电子具有相反的自旋。占据轨道的两个电子被认为是成对的。它们的自旋抵消，并且它们不会产生净磁矩。另一方面，占据轨道的单个电子是未配对的，这导致净磁矩。
[0011]抗磁性元素是不具有未配对电子的那些元素。这些元素微弱地抵抗磁场，这通常由科学工作者通过抗磁性材料的悬浮来证明，例如在强电磁体上的热解石墨。顺磁性元素是具有未配对电子的那些元素。这些元素使得原子具有净磁性偶极矩，并且当施加磁场时，这些原子与磁场对齐排列，并且该元素变成磁性的。当移除磁场时，热能干扰以致对齐排列变得杂乱，并失去磁性。
[0012]电子以尽可能减少净能量的方式填充位于核周围的壳层。科学工作者已经发现上述情况遵循三种原理，称为构造(Aufbrau)原理、洪德(Hund's)规则和泡利(Pauli)不相容
原理。采用这些原理，化学技术人员可以确定多少原子占据围绕核的各个亚壳层。
[0013]为了确定元素是抗磁性还是顺磁性的，仅仅需要考察占据最外部的亚壳层的那些价电子。如果最外部的亚壳层含有具有未配对电子的轨道，则此元素是顺磁性的。否则，此元素是抗磁性的。当书写电子构造时，一般首先书写在元素周期表中位于该元素之前的稀有气体的价电子。稀有气体具有完全填充的电子轨道，这是它们呈惰性的原因。
[0014]例如，镁(Mg)的电子构造是[Ne]3s2。最外部的亚壳层含有两个电子，但是它们是未配对的，所以镁是顺磁性的。另一方面，锌(Zn)的电子构造是[Ar]4s23d
10
。在其壳层中没有未配对的电子，所以锌是抗磁性的。
[0015]每种元素的磁性性能的计算可以进一步通过写出它们的电子构造来完成。总结了顺磁性元素的列表，并且包括以下各种原子元素：锂(Li)，氧(O)，钠(Na)，镁(Mg)，铝(Al)，钾(K)，钙(Ca)，钪(Sc)，钛(Ti)，钒(V)，锰(Mn)，铷(Rb)，锶(Sr)，钇(Y)，锆(Zr)，铌(Nb)，钼(Mb)，锝(Tc)，钌(Ru)(近期发现其是铁磁性的)，铑(Rh)，钯(Pd)，铯(Cs)，钡(Ba)，镧(La)，铈(Ce)，镨(Pr)，钕(Nd)，钐(Sm)，铕(Eu)，铽(Tb)，镝(Dy)，钬(Ho)，铒(Er)，铥(Tm)，镱(Yb)，镥(Lu)，铪(Hf)，钽(Ta)，钨(W)，铼(Re)，锇(Os)，铱(Ir)，铂(Pt)，钍(Th)，镤(Pa)，铀(U)，钚(Pu)和镅(A)。
[0016]当多个原子组合形成化合物时，一些化合物也可以按照关于原子所述的那样显示顺磁性。如果在化合物的轨道中存在一个或多个未配对电子，则该化合物将是顺磁性的。实例包括分子氧(O2)、氧化铁(FeO)和一氧化氮(NO)。在氧的情况下，可以使用强电磁体显示其顺磁性。当在这种磁体的两极之间倒入液体氧时，氧将聚集在两极周围，并蒸发产生氧气云。使用液氮(N2)进行相同的实验，液氮不是顺磁性的，不会形成这种云。
[0017]在降低温度时，顺磁性固体的自发磁性排序是合作现象，这在不同温度下出现，取决于磁性亚晶格的性质和交换相互作用的强度。当出现自发磁性排序时，固体的磁性序列参数以及本体磁化在与居里(Curie)温度邻近的较窄温度间隔内发生明显变化，由此可以实际利用磁热效应(MCE)。
[0018]尽管不是绝对磁化，而是磁化在温度方面的衍生作用必须足够强以产生显著的MCE，但是对于4f金属(镧系元素)及其合金的研究比对于3d轨道金属(Sc,Ti,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni,Cu和Zn)及其合金的研究更广泛，这简单地因为前者的可利用的理论磁熵显著高于后者。关于MCE的大多数研究是与在用于应用例如氦和氢气的液化时在约4至约77K下的软铁磁性物质排序相关，或者与在用于应用例如常规空气调节和制冷的情况下在室温附近时的物质排序相关。
[0019]所以，顺磁性化合物是通过检验电子构造来确定，特别是检验在外部价键壳层中的用于赋予顺磁性的未配对电子。在氧分子的情况下，其具有偶数的价电子，但是它们各自占据较低的能态以尽可能降低分子的总体能态。代替在较高轨道中的电子对，在较低轨道中存在两个未配对电子，这使得分子呈现顺磁性。
[0020]概述
[0021]本专利技术涉及顺磁性材料和/或组合物在感应加热和/或磁热式冷却和/或加热应用、以及热电应用中的用途。在一些方面中，本专利技术提供基于铝的材料和/或掺入稀土金属和其它原子元素的各种组合的合金。
[0022]在一些方案中，所述材料和/或材料的组合物可以优化用于感应加热或者磁热式
冷却和/或加热组装体中，从而提供在较宽的材料使用温度范围内的稳定的磁化率和高的热导率性能。
[0023]在其它方案中，所述材料可以优化用于热电操作中，其中不考虑磁化率、磁化/退磁和居里温度，而是期望所述材料能将温差直接转化成电压，或经由热电偶来提供温度变化(加热/冷却)，且对操作温度的限制很少。
[0024]在一些方案中，本专利技术涉及铝基材料以及在其中掺入稀土金属和其它原子元素或组分的不同组合的合金。在一本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.具有式M
a
X
b
的顺磁性材料，其中a是在0.50至0.99的范围内，b是1
‑
a，M是选自Al、La、Li、Mg、Na、Sn、W、V、Ca、Nd、Tb、Dy、Ho、Pd、Ge、Zn、Fe、Co、Ni、Rh、Sn、Te、Cr、Zr、Mn、Ti或其组合，所述材料用于热电、感应或磁热式的加热和/或冷却装置中。2.根据权利要求1所述的顺磁性材料，其中所述材料是泡利顺磁性的。3.根据权利要求1所述的顺磁性材料，其中M主要包含Al。4.根据权利要求1所述的顺磁性材料，其中所述材料具有等于或大于50g
·
mΩ/m2的电阻。5.根据权利要求1所述的顺磁性材料，其中所述材料具有等于或大于140W/(m
·
K)的热导率。6.根据权利要求1所述的顺磁性材料，其中所述材料具有等于或小于1200J/(kg K)的比热。7.根据权利要求1所述的顺磁性材料，其中所述材料具有等于或小于14的磁性相对磁导率，其中相对磁导率是特定介质的磁导率与自由空间的磁导率之间的比率。8.根据权利要求1所述的顺磁性材料，其中所述材料具有等于或大于10
‑9m3/kg的质量磁化率。9.一种顺磁性组合物，其包含根据权利要求1
‑
8中任一项所述的顺磁性材料，其中X是选自铜(Cu)、锰(Mn)、硅(Si)、镁(Mg)、镁/硅(MgSi)、锌(Zn)或其组合。10.一种顺磁性组合物，其包含根据权利要求1
‑
8中任一项所述的顺磁性材料，其中X是选自钡(Ba)、铯(Cs)、铈(Ce)、镧(La)、锂(Li)、镁(Mg)、锰(Mn)、钾(K)、镨(Pr)、钐(Sm)、钠(Na)、锡(Sn)、钛(Ti)、钨(W)、钒(V)或其组合。11.根据权利要求9或10所述的顺磁性组合物，其还包含FeCoNiCrAl
‑
合金，纯金属，镧系元素内的合金，铝化物，钆，钯，硅化钆,硫化铕，锌合金，ErAgGa，3d过渡金属，基于3d金属的合金和金属互化物，混合的镧系元素
‑
3d过渡金属化合物，锰基金属互化物，铁基金属互化物，钴基金属互化物，镍基金属互化物，无定形合金，水锰矿，磁热式材料(MCM)，或其组合。12.一种装置，其包含根据权利要求1
‑
8中任一项所述的顺磁性材料，其中顺磁性组合物是按照形状体排布，并与磁体或磁性组合物接触。13.根据权利要求12所述的装置，其中所述形状体是圆筒或环，并且磁体或磁性组合物是作为圆筒或环的外层提供，并排布以允许在这两者之间按照旋转、直线或偏心的方式运动。14.根据权利要求12所述的装置，其中所述形状体是圆筒，所述磁体或磁性组合物是作为在圆筒内的中间层提供，并排布以允许所述圆筒相对于所述中间层形成静止或旋转的布置，并从这两者之间产生的涡流提供两个方向的热传导转移。15.根据权利要求12所述的装置，其中所述形状体包含堆叠板阵列，其中在每个板内包含磁体或磁性组合物的次级圆筒，所述堆叠板阵列安装在轴或锭子上、并适合于在其周围同时或选择性地旋转。16.根据权利要求12所述的装置，其中所述形状体是螺旋形状体，其中磁体或磁性组合物作为其外层排布，并具有内部末端和外部末端。17.根据权利要求12所述的装置，其中所述形状体是至少一个螺旋形状体，并沿着与磁
体或磁性组合物相反的方向堆叠成至少一个交替螺旋；其中所述螺旋形状体...
【专利技术属性】
技术研发人员：M，
申请(专利权)人：热力X有限责任公司，
类型：发明
国别省市：
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