本發(fā)明屬于高鐵含量fe基非晶態(tài)合金及其在室溫磁制冷領(lǐng)域應(yīng)用的，涉及一種具有近室溫磁熱效應(yīng)的高鐵含量fe基非晶態(tài)合金的制備方法及其應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、?磁制冷是利用材料的磁熱效應(yīng)來達(dá)到制冷目的，基于磁熱效應(yīng)的磁制冷技術(shù)以其環(huán)保、高效、噪音低等特點(diǎn)受到世界各國科研工作者的關(guān)注，參閱2011年advancedmaterials第23卷第821-842頁。1976?年，brown?等人用金屬?gd?作為磁制冷材料，發(fā)現(xiàn)其居里溫度為?294?k，并且磁熵變值也很大，因此開創(chuàng)了室溫磁制冷材料的新時(shí)代，參閱1976年journal?of?applied?physics第47卷第3673-3680頁。2002年，o.?tegus等人制備出居里溫度為?305?k?的?mnfep0.45as0.55合金，參閱2002年nature第415卷150-152頁。它們都屬于一級(jí)相變的晶態(tài)金屬或化合物，通常展現(xiàn)出大的磁熵變值，但同時(shí)具有較大磁滯熱滯并且磁轉(zhuǎn)變時(shí)結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定的缺點(diǎn)，從而影響其制冷效率。而基于二級(jí)相變的非晶態(tài)合金磁制冷材料，具有較小的磁滯熱滯，較寬的作用溫區(qū)和較大的制冷能力，以及較好的熱穩(wěn)定性等諸多優(yōu)點(diǎn)，參閱2010年applied?physics?letters?第96卷第182503-182506頁。特別是fe基非晶態(tài)合金，雖然磁熵變值不大，但其具有優(yōu)異的導(dǎo)熱性、耐腐蝕性能和機(jī)械性能，且原材料價(jià)格低廉的優(yōu)點(diǎn)。此外，fe基非晶合金可以通過成分調(diào)節(jié)使其居里溫度接近室溫，從而應(yīng)用于有著巨大市場的室溫磁制冷領(lǐng)域。

2、?然而，目前所報(bào)道的近室溫磁制冷fe非晶態(tài)合金的磁熵變值以及制冷能力都不是太高，制約了其商業(yè)應(yīng)用。為了提高fe基非晶態(tài)合金的磁熵變值，就需要提高其飽和磁化強(qiáng)度。而fe基非晶態(tài)合金的鐵磁性主要由合金中的fe原子提供，合金的飽和磁化強(qiáng)度的大小很大程度上取決于合金中fe的含量。因此提高fe基非晶合金中的fe含量有助于提高其磁熵變值。此外，有研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)合金中fe含量超過一定值后，有些高鐵含量fe基非晶合金體系的居里溫度隨著fe含量的升高而降低，參閱1977年development第16卷第2063-2064頁，1976年ieee?transactions?on?magnetics第12卷第945-947頁，1979年metallurgicaltransactions?a第10期771-781頁。因此，基于高鐵含量fe基非晶態(tài)合金有望發(fā)展出具有較大磁熵變值的近室溫磁制冷材料。根據(jù)以上想法，本發(fā)明成功制備出一種具有室溫磁熱效應(yīng)的高鐵含量fe83mo6si1b7p2c1非晶態(tài)合金。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、?本發(fā)明目的在于，結(jié)合真空電弧熔煉和單輥熔融甩帶法，提供一種具有近室溫磁熱效應(yīng)的高鐵含量fe83mo6si1b7p2c1非晶態(tài)合金薄帶的制備方法及其應(yīng)用。該合金具有近室溫的居里溫度（300?k），同時(shí)具有較大的磁熵變以及制冷能力。這項(xiàng)工作可啟發(fā)廣大學(xué)者和工程師研發(fā)出適用于室溫磁制冷的鐵基非晶態(tài)合金材料。

2、本發(fā)明是通過以下工藝實(shí)現(xiàn)的：

3、(1)?利用精密天平，把fe（阿法埃莎公司，質(zhì)量百分比為99.99％）、mo（阿法埃莎公司，質(zhì)量百分比為99.99％）、fe3p（阿法埃莎公司，質(zhì)量百分比為99.95％）、si（阿法埃莎公司，質(zhì)量百分比為99.95％)、b(阿法埃莎公司，質(zhì)量百分比為99.95％）、石墨（阿法埃莎公司，質(zhì)量百分比為99.95％）按照預(yù)先設(shè)定的合金成分正確稱量，滿足fe83mo6si1b7p2c1?(其中比值為原子百分比)；(2)?把稱量好的原料放入真空電弧爐中，對真空電弧爐用氬氣進(jìn)行洗氣后，在氬氣氣氛下開始熔煉，保持熔煉條件相同，至少重復(fù)4次，以保證其足夠均勻，熔煉的條件為：電流100-150a，每次熔煉時(shí)間4-5分鐘，以此獲得中間合金錠。(3)?將真空電弧熔煉制備的中間合金錠放入單輥熔融甩帶爐中底部為圓形噴嘴的石英管中，并固定于感應(yīng)線圈內(nèi)，控制石英管噴嘴與銅輥頂端表面之間的距離在1-1.5mm。關(guān)閉爐體，用機(jī)械泵預(yù)抽低真空,其后用分子泵將爐內(nèi)真空抽到5x10-3?pa以下，接著往爐內(nèi)充入高純氬氣作為保護(hù)氣，于此同時(shí)，噴射氣罐中也充入適量高純氬氣，使得噴射氣壓與真空室內(nèi)氣壓存在合適的氣壓差。然后開通電源，利用高頻感應(yīng)加熱設(shè)備加熱母合金加熱至適當(dāng)溫度，按下噴射按鈕，將合金溶液噴在轉(zhuǎn)速為50m/s的銅輪上，溶液被迅速冷卻并在線速度的作用下形成長條的非晶薄帶。

4、?本發(fā)明的特點(diǎn)在于：單輥熔融甩帶法作為制備方法，銅輪轉(zhuǎn)速快，冷速高易形成非晶，且方法簡單易行，成本較低。所得的fe83mo6si1b7p2c1非晶態(tài)合金薄帶的居里溫度為300?k，在居里溫度附近、5t的外加磁場下的磁熵變?yōu)?.74?j·kg-1·k-1，制冷能力為485.21?j·kg-1。目前的高鐵含量fe83mo6si1b7p2c1非晶態(tài)合金具有優(yōu)異的近室溫磁制冷性能，是一種極具潛力的室溫磁制冷候選材料。

技術(shù)特征：

1.一種具有近室溫磁熱效應(yīng)的高鐵含量fe基非晶態(tài)合金的制備方法及其應(yīng)用，其特征在于，所制得樣品可應(yīng)用于室溫磁制冷材料方面；所述高鐵含量fe基非晶態(tài)合金通過以下過程制備：按照成分比例把預(yù)先經(jīng)過精確稱量的高純原料通過真空電弧熔煉法獲得中間合金錠，然后在高純氬氣氣氛保護(hù)下，使用單輥熔融甩帶法制備出非晶合金條帶試樣。

2.如權(quán)利要求1所述的應(yīng)用，其特征在于，所述fe、mo、fe3p、si、b原料的純度不低于99.5wt％。

3.如權(quán)利要求1所述的應(yīng)用，其特征在于，所述精確稱量為按照成分設(shè)定算出各元素質(zhì)量百分比，用電子天平精確稱取所需原料，誤差不超過10-5。

4.如權(quán)利要求1所述的應(yīng)用，其特征在于，所述中間合金錠的制備步驟為：將稱取的原料中的所述fe、mo、fe3p、si和b粉末顆粒放入真空電弧爐中，對真空電弧爐用氬氣進(jìn)行洗氣，然后在氬氣氣氛下開始熔煉，熔煉的條件為:電流100-150a，每次熔煉時(shí)間4-5分鐘，以此獲得中間合金錠。

5.?如權(quán)利要求1所述的應(yīng)用，其特征在于，使用真空電弧熔煉法時(shí)，完成一次熔煉后，待爐體冷卻，將合金反面，在保持熔煉條件相同的情況下，至少重復(fù)4次，以保證其足夠均勻，質(zhì)量損失控制在0.1?wt?%以內(nèi)。

6.?如權(quán)利要求1所述的應(yīng)用，其特征在于，所述合金條帶試樣的制備步驟為：將所述經(jīng)過真空電弧熔煉制備的中間合金錠放入單輥熔融甩帶爐中底部為圓形噴嘴的石英管中，并固定于感應(yīng)線圈內(nèi)，控制石英管噴嘴與銅輾頂端表面之間的距離在1-1.5mm；關(guān)閉爐體，用機(jī)械泵預(yù)抽低真空,其后用分子泵將爐內(nèi)真空抽到5x10-3?pa以下，接著往爐內(nèi)充入高純氬氣作為保護(hù)氣，于此同時(shí)，噴射氣罐中也充入適量高純氬氣，使得噴射氣壓與真空室內(nèi)氣壓存在合適的氣壓差；然后開通電源，利用高頻感應(yīng)加熱設(shè)備加熱母合金加熱至適當(dāng)溫度，按下噴射按鈕，將合金溶液噴在極高轉(zhuǎn)速的銅輪上，溶液被迅速冷卻并在線速度的作用下形成長條的非晶薄帶。

7.?如權(quán)利要求1所述的應(yīng)用，其特征在于，所述單輥熔融甩帶法所用的銅輪轉(zhuǎn)速為50m/s，感應(yīng)線圈加熱時(shí)間保持在2-5分鐘。

8.如權(quán)利要求1至8中任一權(quán)利要求所述的高鐵含量fe基非晶態(tài)合金，其特征是：所述合金的m-t曲線由mpms磁學(xué)測量系統(tǒng)測得，測試外加磁場為0.02t，測試溫度為80-400k。

9.?如權(quán)利要求1至8中任一權(quán)利要求所述的高鐵含量fe基非晶態(tài)合金，其特征是：所述合金的m-h曲線由mpms?xl-7磁學(xué)測量系統(tǒng)測得，測試外加磁場為1.5-5t，測試溫度為213?-393?k。

10.如權(quán)利要求1至8中任一權(quán)利要求所述的高鐵含量fe基非晶態(tài)合金，其特征是：所述合金的磁熵變由maxwell公式計(jì)算得到。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明屬于高鐵含量Fe基非晶態(tài)合金及其在室溫磁制冷領(lǐng)域應(yīng)用的技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種具有近室溫磁熱效應(yīng)的高鐵含量Fe基非晶態(tài)合金的制備方法及其應(yīng)用。結(jié)合真空電弧熔煉和單輥熔融甩帶法，提供一種具有近室溫磁熱效應(yīng)的高鐵含量Fe83Mo6Si1B7P2C1非晶態(tài)合金薄帶的制備方法及其應(yīng)用。該合金具有近室溫的居里溫度(300K)，同時(shí)具有較大的磁熵變以及制冷能力，原材料價(jià)格低廉且制備方法簡單易行。這項(xiàng)工作可啟發(fā)廣大學(xué)者和工程師研發(fā)出適用于室溫磁制冷的Fe基非晶態(tài)合金材料。

技術(shù)研發(fā)人員：李強(qiáng),高夢琦,謝磊
受保護(hù)的技術(shù)使用者：新疆大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/6