一种稀土氟化物单晶在磁制冷中的应用制造技术

本发明专利技术公开了一种稀土氟化物单晶在磁制冷中的应用、磁制冷方法和磁制冷装置，属于磁性功能材料领域。该系列磁卡材料为锂稀土氟化物，化学式是LiREF4，其中RE为稀土元素钆、铽、镝、钬、铒、铥和镱之中的一种或多种。该系列磁卡材料单晶具有极强的磁各向异性，通过在磁卡材料的易磁化轴方向上施加一个0

【技术实现步骤摘要】
一种稀土氟化物单晶在磁制冷中的应用


[0001]本专利技术属于磁性功能材料领域，具体涉及一种低温区间内能由小磁场驱动的巨磁卡效应材料。

技术介绍

[0002]现如今，制冷技术已经被人们所熟知并广泛应用于日常生活中，如空调、冰箱、农业和医疗等等。在制冷技术中，在低于液氢的温度称低温区，可以将其应用于宇宙通讯、量子计算机或化工中气体液化，以及空间中的超灵敏探测器等等。其制冷技术均离不开氦气，如绝热去磁制冷的制冷装置中提供磁场的超导磁铁需要用液氦进行冷却，3He/4He稀释制冷机和He吸附式制冷机更加离不开氦气。而基于磁卡效应的新型磁制冷技术，相较于传统制冷方法，有着环境友好、制冷效率高、能量消耗少、低噪声、无污染和稳定可靠等优点。因此得到了科研人员的广泛关注。
[0003]目前低温磁制冷中较为成熟的磁工质为石榴石系列(Gd3Ga5O
12
(简称GGG)、Dy3Al5O
12
(简称DAG))。然而为了获取较大的磁熵变，通常需要给磁工质施加一个较大的变化磁场(0
‑
50kOe)，而这种磁场需要依靠体积较大的电磁铁和超导磁铁，装置高昂的费用、复杂的装置设计和较大的体积严重阻碍了磁制冷技术走向广泛应用。因此，寻找一个低温区间内由小磁场驱动下，可以获得大磁熵变的磁工质是低温磁制冷的一个关键。
[0004]针对上述问题，本专利技术提供一种可利用小磁场进行驱动并获得大磁熵变的磁卡材料，该磁卡材料为锂稀土氟化物单晶。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于公开了一种稀土氟化物单晶在磁制冷中的应用，该稀土氟化物单晶为锂稀土氟化物单晶，在低温区间内通过向该材料易磁化方向上施加一个0
‑
20kOe的变化磁场，可获得一个大的磁熵变，且该系列材料具有良好的导热能力。该材料的发现为低温磁制冷装置的简化和广泛应用提供了可能性。
[0006]本专利技术技术方案如下：
[0007]一种锂稀土氟化物单晶在磁制冷中的应用。
[0008]锂稀土氟化物单晶样品在外磁场的作用下，磁矩由杂乱变为有序，原子磁矩之间及与外磁场之间的相互作用能降低，它的磁熵减小并对外界进行放热。反之，在移除磁场的过程中，锂稀土氟化物单晶的磁矩由有序变为杂乱，磁熵增加，从外界吸收能量。在样品绝热的情况下则表现为锂稀土氟化物单晶样品本身温度变化。
[0009]作为优选的技术方案：
[0010]所述锂稀土氟化物的化学式是LiREF4，其中RE为稀土元素。
[0011]所述稀土元素RE为钆(Gd)、铽(Tb)、镝(Dy)、钬(Ho)、铒(Er)、铥(Tm)和镱(Yb)之中的一种或多种。
[0012]所述锂稀土氟化物具有四方白钨矿的结构。
[0013]所述锂稀土氟化物为具有极强磁各向异性的单晶。
[0014]其中，LiGdF4、LiTbF4和LiHoF4的易磁化方向平行于C轴，LiDyF4、LiErF4、LiYbF4和LiTmF4的易磁化方向垂直于C轴。
[0015]LiGdF4表现出顺磁性，LiTmF4表现出范福莱克顺磁性，LiTbF4和LiHoF4分别在低于2.87K和1.53K的居里温度时表现出铁磁有序，LiDyF4、LiErF4和LiYbF4分别在低于0.62K、0.38K和0.128K的奈尔温度时表现出反铁磁有序。
[0016]锂稀土氟化物单晶的应用温度区间为低于20K的低温区间。
[0017]等温磁熵变ΔS是衡量一个磁卡材料性能好坏的重要参数。因此本专利技术采用超导量子干涉仪测量了锂稀土氟化物单晶样品的易磁化方向上的不同温度的磁化曲线。然后利用Maxwell关系式对所获得的不同温度的磁化曲线数据进行处理，并求出磁熵变随温度变化的关系。通过向锂稀土氟化物单晶样品的易磁化方向上施加一个0
‑
20kOe小的变化磁场，锂稀土氟化物单晶表现出了大的等温磁熵变，其中LiGdF4、LiTbF4、LiHoF4、LiDyF4、LiErF4、LiYbF4和LiTmF4分在1.8K、4K、4K、1.8K、1.8K、1.8K和18K处获得50.35J
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kg
‑1·
K
‑1、21.12J
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kg
‑1·
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‑1、24.98J
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‑1·
K
‑1、24.45J
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‑1·
K
‑1、21.95J
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kg
‑1·
K
‑1、14.7J
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kg
‑1·
K
‑1和0.692J
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kg
‑1·
K
‑1大小的等温磁熵变。
[0018]在固态磁制冷领域中，磁卡材料的热导率与装置整体的制冷效率息息相关。锂稀土氟化物单晶热导率的测试是通过综合物性测量系统的热输运选件进行的。由于锂稀土氟化物单晶样品的热导率在低温处较高，因此采用了四线法进行测量来减少误差，且样品的形状采用类针形的长方体形状，并采用降温测量的方法。LiTbF4和LiErF4在25K处的热导率达到了50W
·
K
‑1m
‑1。
[0019]一种基于锂稀土氟化物单晶的磁制冷方法，其特征在于：以锂稀土氟化物单晶作为磁工质，通过向磁工质施加和移除磁场，磁工质的温度发生变化并与换热体实现热量的转移，从而达到制冷的目的。
[0020]作为优选的技术方案：
[0021]所述磁工质锂稀土氟化物单晶可为LiGdF4、LiTbF4、LiHoF4、LiDyF4、LiErF4、LiYbF4和LiTmF4之中的一种或多种；当为多种时，通过将不同的锂稀土氟化物单晶混合排列，实现低温制冷区间的扩展。
[0022]也可在制备锂稀土氟化物单晶的过程中掺入两种或两种以上的多种稀土元素(Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm和Yb)，以实现低温制冷区间的扩展。
[0023]一种在小磁场驱动下的磁制冷装置，其特征在于，该装置包括锂稀土氟化物单晶作为磁工质。
[0024]作为优选的技术方案：
[0025]所述磁工质锂稀土氟化物单晶可为LiGdF4、LiTbF4、LiHoF4、LiDyF4、LiErF4、LiYbF4和LiTmF4之中的一种或多种；当为多种时，通过将不同的锂稀土氟化物单晶混合排列，实现低温制冷区间的扩展。
[0026]也可在制备锂稀土氟化物单晶的过程中掺入两种或两种以上的多种稀土元素(Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm和Yb)，从而实现低温制冷区间的扩展。
[0027]该制冷装置还包括磁场施加部件，热开关，热沉，负载，其中磁场施加部件可选用永磁铁、电磁铁或超导磁体，优选永磁铁，可以有效简化装置体积，优化设计，热开关可选用
机械接触式、超导式、气体式或磁阻式热开关，优选超导式热开关。
[002本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种锂稀土氟化物单晶在磁制冷中的应用。2.根据权利要求1所述的应用，其特征在于：所述锂稀土氟化物的化学式是LiREF4，其中RE为稀土元素。3.根据权利要求2所述的应用，其特征在于：所述稀土元素RE为钆、铽、镝、钬、铒、铥和镱之中的一种或多种。4.根据权利要求3所述的应用，其特征在于：所述锂稀土氟化物具有四方白钨矿的结构，是具有磁各向异性的单晶。5.根据权利要求4所述的应用，其特征在于：LiGdF4、LiTbF4和LiHoF4的易磁化方向平行于C轴，LiDyF4、LiErF4、LiYbF4和LiTmF4的易磁化方向垂直于C轴。6.根据权利要求3所述的应用，其特征在于：LiGdF4表现出顺磁性，LiTmF4表现出范福莱克顺磁性，LiTbF4和LiHoF4分别在低于2.87K和1.53K的居里温度时表现出铁磁有序，LiDyF4、LiErF4和LiYbF4分别在低于0.62K、0.38K和0.128K的奈尔温度时表现出反铁磁有序。7.根据权利要求1
‑
4任一项所述的应用，其特征在于：锂稀土氟化物单晶的应用温度区间为低于20K的低温区间。8.根据权利要求1
‑
4任一项所述的应用，其特征在于：在沿锂稀土氟化物单晶样品的易磁化方向施加0
‑
20kOe的变化磁场，锂稀土氟化物单晶表现出了大的等温磁熵变，其中LiGdF4、LiTbF4、LiHoF4、LiDyF4、LiErF4、LiYbF4和LiTmF4分在1.8K、4K、4K、1.8K、1.8K、1.8K和18K处获得50.35J
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【专利技术属性】
技术研发人员：李昺，原东升，刘鹏，恩卡纳西翁，
申请(专利权)人：国立研究开发法人物质，
类型：发明
国别省市：