稀土基高熵非晶态合金、制备方法及应用

本发明属于磁性功能材料的磁制冷领域，具体涉及一种稀土基高熵非晶态合金、制备方法及应用。

背景技术：

1、磁制冷(mr)技术自提出以来在近二十年中发展迅速，为制冷应用提供了新的思路，mr是基于磁性材料的磁热效应(mce)所实现的制冷技术。通常表现为磁性材料体系在磁化时磁熵减小体系绝热温度上升，退磁时磁熵增加体系绝热温度下降。将绝热磁化-退磁引起的放热吸热现象利用适当的循环系统连接，可以达到制冷的目的。mr由于具有制冷效率高，噪音低，体积小以及绿色环保等特点有望替代传统气体压缩制冷。目前低温磁制冷技术成为低温研究领域的重要分支，已广泛应用于气象、军事、航天航空、低温电子学以及低温医学等众多领域。例如，红外探测器需要冷却到150-77k温区才能有效降低内部噪音，增大探测深度。氮气作为具有化学惰性的气体，可以直接和生物组织接触，利用制冷技术对氮气液化(～77k)后可以冷冻生物组织，防止组织破坏。

2、衡量磁性材料mce可以根据材料对于外加磁场的响应参数进行判断，包括：等温磁熵变(|-δsm|)，制冷温区(即|-δsm|-t的半高宽温区，δtfwhm)，制冷容量(rc)，相对制冷能力(rcp)以及平均温度磁熵变(tec)等。根据磁制冷材料相变温度的不同，通常可分为室温、中温、低温和极低温磁制冷材料。其中对于低温mr应用ericsson循环被认为是具有潜力的循环方式，而理想的ericsson循环需要热力学循环范围具有几乎恒定的磁熵变，从而保证工作温度范围具有稳定的制冷性能。

3、但是，目前满足低温ericsson循环的磁制冷工质主要依靠成本较高、制备难度大以及性能相对较差的材料复合来实现。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种稀土基高熵非晶态合金、制备方法及应用，将得到的稀土基高熵非晶态合金作为低温磁制冷材料，具有明显桌型磁熵变以及良好磁热效应。

2、为达到上述目的，本发明使用的技术解决方案是：

3、稀土基高熵非晶态合金，化学通式为gd20tb20er20al20m20，m元素为fe、co中的一种。

4、进一步，m元素为fe或者co中的一种。

5、进一步，gd20tb20er20al20fe20自旋冻结温度为51k，gd20tb20er20al20co20自旋冻结温度为28k。

6、进一步，gd20tb20er20al20fe20居里温度为92k，gd20tb20er20al20co20居里温度为51k。

7、进一步，gd20tb20er20al20fe20自旋冻结温度为51k，gd20tb20er20al20co20自旋冻结温度为28k。

8、稀土基高熵非晶态合金的制备方法，包括：

9、按照化学式gd20tb20er20al20m20选取纯度大于99.9wt％的金属gd、tb、er、al，以及fe或者co；

10、将选取的金属原料打磨去除表面氧化层后，按照原子比精确称取配比金属混合原料；

11、金属混合原料采用真空电弧炉熔炼搭配真空甩带炉制备得到gd20tb20er20al20m20稀土基高熵非晶态合金，m为fe、co中的一种。

12、优选的，m选用fe或者co的一种。

13、优选的，采用真空电弧炉熔炼搭配真空甩带炉制备得到稀土基高熵非晶态合金，步骤包括：

14、将称量得到的混合原料置于真空电弧熔炼炉颅腔铜坩埚中，并抽真空，保证炉腔内的真空度低于5*10-3pa时，用高纯氩气清理炉腔，充入高纯氩气使炉腔的压力达到5*104pa，用电弧将金属混合原料熔化，保温30～60s；熔炼完成后将合金锭冷却至室温，开炉取样；

15、将制备成的合金锭打磨去除表面氧化层，并通过超声波清洗设备处理合金锭，随后将合金锭破碎成合金块体并放置于玻璃管中，将放有合金块体的玻璃管安装于甩带炉中，对甩带炉进行抽真空并进行洗气操作；打开甩带炉的感应熔炼电源将合金块体熔化并进行甩带，将制备得到的合金条带从甩带炉的收集室中取出，得到稀土基高熵非晶态合金。

16、优选的，铜辊为30m/s的线速度下将其制备成合金条带。

17、稀土基高熵非晶态合金的应用，稀土基高熵非晶态合金应用在低温磁制冷或者氮气液化领域。

18、本发明技术效果包括：

19、本发明将得到的稀土基高熵非晶态合金gd20tb20er20al20m20

20、(m＝fe/co)作为低温磁制冷材料，具有明显桌型磁熵变以及良好磁热效应。

21、1、磁热效应突出

22、由于重稀土元素具有大的磁矩使其具备较大的磁熵变特点。非晶化后的高熵合金，具有宽的制冷温区，并且表现出明显的桌型磁熵特征。综合上述因素使其具备磁制冷应用的潜能。

23、2、软磁及二级相变特征

24、gd20tb20er20al20m20(m＝fe，co)稀土基高熵非晶态合金在居里温度处呈现高饱和磁化强度和低矫顽力的软磁特点，并且由于非晶态不存在晶体结构转变，使其在相变处呈现连续性较好的二级相变特征。综合上述因素使其在磁制冷循环中具有低磁滞热滞损耗特点。

25、3、性能可调控

26、不同类型的m元素具有不同的3d轨道电子，该差异化特征能够调控体系的相互作用，在保证大磁热效应的同时，相变临界点连续可调，适用于不同温度范围的制冷。

27、4、机械性能突出

28、非晶化后的高熵合金进一步提升了材料的耐腐蚀性，抗氧化性以及其他机械性能，为材料的实际应用提供潜力。

29、5、制备方法简单

30、该稀土基高熵非晶态合金制备所需的真空电弧炉和真空感应甩带炉具有成熟的工艺流程。

31、6、原材料成本较低

32、相较于纯稀土和纯稀土合金，稀土基高熵非晶态合金由于金属铝al、铁fe、钴co的引入降低了材料的成本，提高了实际应用能力。

技术特征：

1.一种稀土基高熵非晶态合金，其特征在于，化学通式为gd20tb20er20al20m20，m元素为fe、co中的一种。

2.如权利要求1所述的稀土基高熵非晶态合金，其特征在于，m元素为fe或者co中的一种。

3.如权利要求2所述的稀土基高熵非晶态合金，其特征在于，gd20tb20er20al20fe20自旋冻结温度为51k，gd20tb20er20al20co20自旋冻结温度为28k。

4.如权利要求2所述的稀土基高熵非晶态合金，其特征在于，gd20tb20er20al20fe20居里温度为92k，gd20tb20er20al20co20居里温度为51k。

5.如权利要求2所述的稀土基高熵非晶态合金，其特征在于，gd20tb20er20al20fe20自旋冻结温度为51k，gd20tb20er20al20co20自旋冻结温度为28k。

6.如权利要求1-5任一项所述的稀土基高熵非晶态合金的制备方法，其特征在于，包括：

7.如权利要求6所述的稀土基高熵非晶态合金的制备方法，其特征在于，m选用fe或者钴co的一种。

8.如权利要求6所述的稀土基高熵非晶态合金的制备方法，其特征在于，采用真空电弧炉熔炼搭配真空甩带炉制备得到稀土基高熵非晶态合金，步骤包括：

9.如权利要求6所述的稀土基高熵非晶态合金的制备方法，其特征在于，铜辊为30m/s的线速度下将其制备成合金条带。

10.如权利要求1-5任一项所述的稀土基高熵非晶态合金的应用，其特征在于，稀土基高熵非晶态合金应用在低温磁制冷或者氮气液化领域。

技术总结
本发明公开了一种稀土基高熵非晶态合金、制备方法及应用，稀土基高熵非晶态合金化学通式为Gd<subgt;20</subgt;Tb<subgt;20</subgt;Er<subgt;20</subgt;Al<subgt;20</subgt;M<subgt;20</subgt;，M元素为Fe、Co中的一种；采用真空电弧炉熔炼搭配真空甩带炉制备得到稀土基高熵非晶态合金，稀土基高熵非晶态合金应用在低温磁制冷或者氮气液化领域。本发明将得到的稀土基高熵非晶态合金作为低温磁制冷材料，具有明显桌型磁熵变以及良好磁热效应。

技术研发人员：马怀瑾,赵建军,金香,高磊,黄焦宏
受保护的技术使用者：内蒙古科技大学包头师范学院
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23