本发明专利技术提供一种用于低温磁制冷的稀土-铜-铝纳米颗粒及其制备方法，属于磁性纳米材料领域。该稀土-铜-铝纳米颗粒为以下通式的化合物：RCuAl,其中R为Y、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu，所述稀土-铜-铝纳米颗粒，不具有核壳结构，且粒径为10～40nm。本发明专利技术采用等离子电弧放电法，将稀土粉、铜粉和铝粉压制成块体作为等离子电弧炉的阳极材料，采用钨金属或铌金属作为等离子电弧炉的阴极材料，经过电弧放电反应后得稀土-铜-铝纳米颗粒。本发明专利技术制备出的稀土-铜-铝纳米颗粒，在低温区具有大磁熵变和高磁制冷能力，同时本发明专利技术制备方法工艺简单且环境友好。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及磁性纳米材料，尤其是涉及一种用于低温磁制冷的稀土 -铜-铝纳米颗粒及其制备方法。
技术介绍
低温制冷技术(T < 20 K)在生物医疗、半导体工业、低温气体能源、超导低温环境制冷、高能加速器低温保护等涉及国家安全以及国计民生等领域有着重要的应用意义。在中美两国的中长期科学规划中，低温制冷技术都被列为能源环保和环境材料领域的重点研究项目。低温磁制冷技术作为一门新兴的低温制冷技术出现于20世纪80年代，制冷范围可以从20 K到μ K级，在制取绿色能源液氢方面有较好的应用前景。更重要的是低温磁制冷技术具有可靠性高、高效节能、无噪音、无环境污染和工作周期长等优点，已经成为当前国内外的研究热点。磁制冷是利用磁性材料的磁热效应来实现制冷的。磁热效应是指磁性材料绝热加磁时，磁矩有序性增大，磁熵减小，对外界放出热量；绝热去磁时，磁矩有序性减小，磁熵增大，从外界吸收热量；完成一个卡诺循环，从而实现制冷。在低温区(Τ < 20 K)，传导电子热运动和固体晶格振动可以忽略，材料的磁熵变近似等于总熵变，所以低温磁制冷的效率要高于中高温磁制冷。表征磁制冷材料磁热性能的主要参数是磁熵变(),材料的越大,制冷能力和效率也就越高。顺磁盐是低温区的典型磁制冷材料，这些化合物主要是通过绝热退磁的方法获得极低温。另外，由于顺磁盐的导热性差，对绝热退磁不利。通常，具有一级相变性质的材料也会表现出大的磁热效应，但一级相变也会伴随着热滞和磁滞的出现，从而降低了材料的制冷能力。具有二级相变性质的材料虽然没有热滞和磁滞的出现，但是由于其优异的制冷能力只出现在相变温度附近，这严重制约了其应用的温度范围。美国国家标准局Shull教授预言，由于非相互作用的超顺磁纳米颗粒具有高磁矩密度和类似顺磁的磁行为 ，在低温下会有比顺磁盐更高的磁熵变(△ SM)，且其磁熵变值会随温度降低而逐渐增加。同时纳米颗粒具有很高的表面积，在热循环过程中有利于提高传热效率，因此超顺磁纳米颗粒将作为新一代的低温磁制冷工质取代顺磁盐。近年来，合成具有低温高磁熵变的超顺磁纳米颗粒逐渐成为研究的热点。同时蒸发稀土与金属Al，在形成金属间化合物的同时，由于Al原子的熔沸点比稀土原子低，在蒸发过程中吸附于在所形成化合物颗粒表面并被氧化形成Al2O3外壳，可以制备出具有核/壳结构的稀土 -Al化合物/ Al2O3纳米胶囊。RA12/A1203 (R=Gd, Tb, Dy, Ho)系列纳米胶囊已经由等离子电弧放电法制备出来(S.Ma, ff.F.Li, D.Li, D.K.Xiong, N.K.Sun, D.Y.Geng, ff.Liu，Z.D.Zhang.Large cryogenic magnetocaloric effect in the blocking stateof GdAl2Al2O3 nanocapsules .Phys.Rev.B 2007，76: 144404; W.S.Zhang, E.Briickj Z.D.Zhang, 0.Tegusj K.H.J.Buschow.Synthesis, structure and magneticproperties of DyAl2 nanopartilces .J.Alloys Compd.2006,413:29; X.G.LiujD.Y.Gengj J.Duj S.Maj Z.D.Zhang.The large cryogenic magnetocaloric effectof TbAl2 nanocapsules .Scr.Mater.2008, 59: 340; X.G.Liu, B.Li, D.Y.Geng, Z.D.Zhang.Formation and large cryogenic magnetocaloric effect of HoAl2/Al2O3 nanocapsules .J.Phys.D 2009，42:045008)。在 7.5 K 和 6 T 的磁场变化T, RAl2Al2O3 (R=Gd, Tb, Dy, Ho)纳米胶囊的磁熵变都高于12 J/(kg.K)。通过分析发现，磁熵变与温度的倒数基本上呈线性关系。众所周知，低温制冷材料在热循环过程中需要平滑的热传导，然而Al2O3是一种具有极低热导率的陶瓷材料，这严重制约了 RAl2Al2O3(R=Gd, Tb, Dy, Ho)系列纳米胶囊在低温区磁制冷应用。专利201010515354.1公开了用于磁制冷的稀土 -铜-铝材料及其制备方法。该块体稀土 -铜-铝材料是由真空熔炼和快速冷却综合法制备得到，其中HoCuAl在居里温度12K处，在0-5磁场变化下，取得最大磁熵变为23.9 J/ kg.K,但是温度不为12K时，其磁熵变下降很快。专利201110062394.X公开了一种稀土锡基低温磁制冷材料及其制备方法。该稀土锡基低温磁制冷材料是由真空熔炼法制备得到，其中Ho5Sn4在奈尔温度14K处，在0-5磁场变化下，取得最大磁熵变仅为7.95 J/ kg.K 专利201110354855.0公开了铕基ThCr2Si2结构的低温磁制冷材料及制备方法。该稀土铕基ThCr2Si2结构的低温磁制冷材料是由真空熔炼法制备得到，其中EuCu2P2在居里温度52K处，在0-5磁场变化下，取得最大磁熵变为10.7 J/ kg.K。类似的技术还有许多，但这些方法工艺复杂，反应条件相对苛刻，操作过程相对繁琐，从而在实际应用中受到了一定程度的限制。另外，其最大磁熵变对相变温度很敏感，当温度稍微发生改变，其磁熵变呈大幅度下降。
技术实现思路
本专利技术克服现有技术的不足，提供一种大磁熵变，高磁制冷能力的用于低温磁制冷的稀土 -铜-铝纳米颗粒及其制备方法，同时该体系纳米材料的制备工艺简单且环境友好。本专利技术用于低温磁制冷的稀土-铜-铝纳米颗粒为以下通式的化合物:RCuAl，其中R为Y、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm,Yb, Lu ;所述稀土-铜-铝纳米颗粒不具有核壳结构，且其粒径为10 40 nm。作为一种优化，所述稀土 -铜-铝纳米颗粒为DyCuAl。上述稀土-铜-铝纳米颗粒的制备方法，采用等离子电弧放电法，将纯度均为99.9% (质量百分比)稀土粉、铜粉和铝粉在压强IMpa IGpa下压制成块体作为等离子电弧炉的阳极材料，所述阳极材料中稀土所占的原子百分比为50 52%，铜所占的原子百分比为44 45%，A1所占的原子百分比为3 6%，采用钨金属或铌金属作为等离子电弧炉的阴极材料，引用氩气作为工作气体，接通直流电源，工作电压为10 40 V，工作电流为20 60 A，阳极与阴极之间起电弧，保持0.5 5 h后关闭电源，抽掉工作气体，充入钝化气体进行钝化，钝化时间至少lh，结束后，打开上盖收集等离子电弧炉侧壁和上盖部位的纳米粉，即得本专利技术产物稀土-铜-铝纳米颗粒。作为一种优化，所述阳极材料中稀土为镝粉，其在阳极材料中所占的原子百分比为52%，铜粉为45%，铝粉为3%，采用钨金属作为阴极材料，所述工作电压为10V，工作电流为20A，所述工作时间为5h，钝化时间为4h。本专利技术中采用电弧放电产生等离子体的制备技术，具体的原理是:制备中电弧等离子体主要是电离本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种用于低温磁制冷的稀土?铜?铝纳米颗粒，其特征在于，该稀土?铜?铝纳米颗粒为以下通式的化合物：RCuAl,?其中R为Y、Gd、?Tb、?Dy、?Ho、?Er、?Tm、Yb、?Lu，所述稀土?铜?铝纳米颗粒，不具有核壳结构，且粒径为10～40?nm。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：刘先国，孙玉萍，冯超，晋传贵，
申请(专利权)人：安徽工业大学，
类型：发明
国别省市：
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