【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于磁制冷，具体涉及一种三角晶格稀土硼酸盐ba3yb(bo3)3作为极低温磁制冷工质的用途。
技术介绍
1、1881年，德国物理学家艾米尔·沃伯格(emil warburg)在铁中发现了磁热效应。磁热效应指磁体在磁场调控中温度发生变化的物理现象。
2、磁性材料的热力学函数熵由温度与磁场共同决定。在绝热条件下，系统的熵应保持不变，倘若此时外加磁场发生变化，则磁体的温度也应同时发生变化。另一方面，在保持温度不变的情况下，改变外加磁场即可改变系统的熵。熵与系统的无序程度有关，自旋越有序，磁熵越小，反之磁熵越大。
3、通过以上原理，人们可以利用磁场对磁体的温度和熵进行调控。通过设计合理的工作循环，如绝热退磁、等温磁化等过程，便可以利用磁性材料的磁热效应实现制冷目的。与普通的气体压缩制冷相比，磁制冷技术具有绿色环保、高效节能、稳定可靠等诸多优点。
4、近年来，随着科学技术的迅速发展，能够获取毫开温度的极低温制冷技术已成为凝聚态物理、量子技术和空间探测等领域开展前沿科学探索的重要支撑。
5、利用顺磁盐绝热退磁致冷(adiabatic demagnetization refrigerator，adr)实现极低温的设想最早由荷兰物理化学家彼得·德拜(peter joseph william debye)和美国物理化学家威廉·吉奥克(william giauque)分别于1926年与1927年独立提出。随后，在1933年，giauque与d.p.macdougall在实验上利用水合物顺磁盐
6、但上述水合物顺磁盐在实际使用中具有一定的局限性。水分子的存在使材料易于在真空环境下脱水，这种结构的不稳定性限制了在超高真空环境中使用adr技术的可行性。此外，水合物顺磁盐大多需要在化学溶液中原位生长，制备周期较长，加工困难。因此，寻找一种化学结构稳定、制备方法简单、制冷性能优异且易于加工的新型极低温磁制冷工质具有重要意义。
技术实现思路
1、针对水合物顺磁盐制备周期长、结构不稳定、不易加工等问题，本专利技术的目的是提供一种化学结构稳定、制备方法简单、制冷性能优异且易于加工的新型极低温磁制冷工质。
2、本专利技术的专利技术人经过大量实验研究意外地发现，三角晶格稀土硼酸盐ba3yb(bo3)3(简称“byb”)在绝热退磁制冷过程中，当磁场从6t退至零时，可实现最低10.5mk的极低温度，展现出卓越的极低温制冷能力。
3、byb是一种有效自旋1/2的准二维磁性材料，其晶体结构如图1所示。利用quantumdesign mpms测试系统对byb多晶样品进行磁性质表征，其磁化率(χ)-温度(t)曲线在1.8k以上表现为典型的居里-外斯行为，如图2所示。
4、利用居里-外斯定律进行分析：
5、
6、其中n为磁性离子数目，μ为有效磁矩大小，k为玻尔兹曼常数，t为温度，θ为居里-外斯特征温度。通过对磁化率的倒数(χ-1)进行拟合可以发现，byb在高温、低温处展现出两种居里-外斯行为。在高温处(100k-300k)拥有大小为4.43玻尔磁子的有效磁矩，特征温度为-85.37k，对应自由yb3+离子的磁性行为。在低温处(1.8k-5k)，yb3+离子受晶体场影响，仅有最低双态具有足以计入考虑的热占据因子，表现为有效自旋1/2系统，有效磁矩仅为2.48玻尔磁子，特征温度低至-0.131k。专利技术人意识到，这一很小的负特征温度意味着系统内非常弱的反铁磁相互作用，保证了byb在极低温下仍然可以有效工作。
7、根据以上分析，一方面，yb3+离子之间相互作用微弱；另一方面，yb3+离子在ab平面内形成三角晶格(如图1的b)图所示)，各离子自旋相互竞争，导致强烈的几何阻挫效应。以上两个因素导致byb的磁有序温度极低(零磁场下在温度低至56mk时仍然不发生长程磁有序)，使其在极低温下仍然可以发生磁熵变而作为制冷工质有效工作。
8、专利技术人基于以上发现完成了本专利技术。
9、本专利技术提供了一种三角晶格材料ba3yb(bo3)3作为极低温磁制冷工质的用途，其中，所述三角晶格材料ba3yb(bo3)3具有在极低温下随磁场变化发生吸放热的磁热效应。
10、根据本专利技术提供的用途，其中，所述三角晶格材料ba3yb(bo3)3在高于56mk的温度不发生磁相变。
11、根据本专利技术提供的用途，其中，在4k以下，0～7t磁场变化过程中，所述三角晶格材料ba3yb(bo3)3的最大磁熵变为约7.5j/(kg·k)。
12、根据本专利技术提供的用途，其中，从1.8k初始温度出发，在准绝热条件下退去磁场，当初始磁场为6t时，所述三角晶格材料ba3yb(bo3)3能到达10.5mk的最低温度；当初始磁场为4t时，所述三角晶格材料ba3yb(bo3)3能到达12.3mk的最低温度；当初始磁场为2t时，所述三角晶格材料ba3yb(bo3)3能到达31.8mk的最低温度。
13、其中，所述准绝热条件可以通过在三角晶格材料ba3yb(bo3)3的周围放置其他商用制冷工质(例如gd3ga5o12，简称ggg)并用镀金金属盖覆盖的方式实现(如图3所示)。外层ggg的作用是形成低温隔断层，隔绝外界辐射的同时，通过更低的环境温度，降低内部ba3yb(bo3)3通过热传导产生的漏热，以实现更好的绝热。
14、根据本专利技术提供的用途，其中，所述三角晶格材料ba3yb(bo3)3的制备方法可以包括：以baco3、yb2o3和h3bo3为原料，按照化学计量摩尔比6:1:6混合，采用固相反应法合成。
15、具体地，所述制备方法可以包括：将混合后的原料充分研磨，利用压片机压片，并在890～910℃下反应20～30小时，冷却至室温后再次研磨、压片，然后在940～960℃下反应16～20小时，得到三角晶格材料ba3yb(bo3)3纯相粉末。
16、根据本专利技术提供的用途，在本专利技术的一些实施方案中，为了提高三角晶格材料ba3yb(bo3)3的热导性能，可以将所述三角晶格材料ba3yb(bo3)3与良导热粉末以1：0.1～10的质量比混合。例如，在本专利技术的一些实施方案中，将所述三角晶格材料ba3yb(bo3)3与银粉以1：0.1～10的质量比混合。
17、根据本专利技术提供的用途，在本专利技术的一些实施方案中，为了抑制漏热，所述用途可以包括在所述三角晶格材料ba3yb(bo3)3的周围放置其他商用制冷工质，例如gd3ga5o本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种三角晶格材料Ba3Yb(BO3)3作为极低温磁制冷工质的用途，其中，所述三角晶格材料Ba3Yb(BO3)3具有在极低温下随磁场变化发生吸放热的磁热效应。
2.根据权利要求1所述的三角晶格材料Ba3Yb(BO3)3作为极低温磁制冷工质的用途，其中，所述三角晶格材料Ba3Yb(BO3)3在高于56mK的温度不发生磁相变。
3.根据权利要求1或2所述的三角晶格材料Ba3Yb(BO3)3作为极低温磁制冷工质的用途，其中，在1.8K～4K范围内，0～7T磁场变化过程中，所述三角晶格材料Ba3Yb(BO3)3的最大磁熵变为约7.5J/(kg·K)。
4.根据权利要求1所述的三角晶格材料Ba3Yb(BO3)3作为极低温磁制冷工质的用途，其中，从1.8K初始温度出发，在准绝热条件下，当初始磁场为6T时，所述三角晶格材料Ba3Yb(BO3)3经退磁能到达10.5mK的最低温度。
5.根据权利要求4所述的三角晶格材料Ba3Yb(BO3)3作为极低温磁制冷工质的用途，其中，当初始磁场为4T时，所述三角晶格材料Ba3Yb(BO3)3经退磁能到达12
6.根据权利要求4所述的三角晶格材料Ba3Yb(BO3)3作为极低温磁制冷工质的用途，其中，当初始磁场为2T时，所述三角晶格材料Ba3Yb(BO3)3经退磁能到达31.8mK的最低温度。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的三角晶格材料Ba3Yb(BO3)3作为极低温磁制冷工质的用途，其中，所述三角晶格材料Ba3Yb(BO3)3的制备方法包括：以BaCO3、Yb2O3和H3BO3为原料，按照化学计量摩尔比6:1:6混合，采用固相反应法合成。
8.根据权利要求7所述的三角晶格材料Ba3Yb(BO3)3作为极低温磁制冷工质的用途，其中，所述制备方法包括：将混合后的原料充分研磨，利用压片机压片，并在890～910℃下反应20～30小时，冷却至室温后再次研磨、压片，然后在940～960℃下反应16～20小时，得到三角晶格材料Ba3Yb(BO3)3纯相粉末。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的三角晶格材料Ba3Yb(BO3)3作为极低温磁制冷工质的用途，其中，所述用途包括将所述三角晶格材料Ba3Yb(BO3)3与良导热粉末以1：0.1～10的质量比混合。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的三角晶格材料Ba3Yb(BO3)3作为极低温磁制冷工质的用途，其中，所述用途包括在所述三角晶格材料Ba3Yb(BO3)3的周围放置其他制冷工质并覆盖镀金金属盖，其中所述其他制冷工质例如Gd3Ga5O12、Dy3Al5O12和/或GdLiF4。
...【技术特征摘要】
1.一种三角晶格材料ba3yb(bo3)3作为极低温磁制冷工质的用途，其中，所述三角晶格材料ba3yb(bo3)3具有在极低温下随磁场变化发生吸放热的磁热效应。
2.根据权利要求1所述的三角晶格材料ba3yb(bo3)3作为极低温磁制冷工质的用途，其中，所述三角晶格材料ba3yb(bo3)3在高于56mk的温度不发生磁相变。
3.根据权利要求1或2所述的三角晶格材料ba3yb(bo3)3作为极低温磁制冷工质的用途，其中，在1.8k～4k范围内，0～7t磁场变化过程中，所述三角晶格材料ba3yb(bo3)3的最大磁熵变为约7.5j/(kg·k)。
4.根据权利要求1所述的三角晶格材料ba3yb(bo3)3作为极低温磁制冷工质的用途，其中，从1.8k初始温度出发，在准绝热条件下，当初始磁场为6t时，所述三角晶格材料ba3yb(bo3)3经退磁能到达10.5mk的最低温度。
5.根据权利要求4所述的三角晶格材料ba3yb(bo3)3作为极低温磁制冷工质的用途，其中，当初始磁场为4t时，所述三角晶格材料ba3yb(bo3)3经退磁能到达12.3mk的最低温度。
6.根据权利要求4所述的三角晶格材料ba3yb(bo3)3作为极低温磁制冷工质的用途，其中，当初始磁场为2t时，所述三角晶格材料ba...
【专利技术属性】
技术研发人员：金文涛，宿程，项俊森，李伟，孙培杰，苏刚，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：
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