本发明涉及一种Fe2AlB2材料的合成方法。
背景技术：
传统气体压缩式制冷已经广泛应用于各种场合，但气体压缩式制冷效率低和危害环境这两个缺点变得日益明显；磁制冷因具有高效节能、无环境污染、运行可靠、尺寸小、重量轻等优点，且完全具有替换气体压缩制冷的可能，引起了广泛的关注。目前较为成熟的磁制冷材料代表性的有GdSiGe(GSG)合金、MnFe(P1-xAsx)合金、FeRh合金、LaFeSi13合金和Heusler合金，以及这个合金的变形体。但这些材料存在着原料成本高、热滞与磁滞较大、居里温度较低、远离室温等缺点。1969年首次Fe2AlB2被成功合成，并且发现它具有铁磁与顺磁特征，还具有较高的等温磁熵变ΔSM和绝热温变ΔTad，合适的居里温度；后续研究者也陆续发现研究了它具备室温磁制冷材料的潜力，也有研究者发现了它与其他三元层状硼化物有相似的结构特征。
虽然Fe2AlB2拥有很好的应用前景与潜力，但是Fe2AlB2的研究刚刚起步，近几年一些学者合成了纯度较高的单晶Fe2AlB2，但制备时间都非常长，而且不能合成较大的块体结构，从而阻碍了对Fe2AlB2研究的开展。现有技术中Fe2AlB2主要采用电弧熔炼的方法合成，如Tan等人采用电弧熔炼法时以Al:Fe:B＝3:2:2的比例将预料压制成10mm小球再用电弧熔炼法处理，并在900℃的真空环境下退火7天，并用稀释的盐酸处理10分钟去除Fe4Al13杂质，获得了纯度较高的Fe2AlB2；Lewis等人同样以将原料同样以Al:Fe:B＝3:2:2的比例混合后进行电弧熔炼处理，然后再切割成薄片结构，最后在1000℃的真空环境中煅烧14天。获得了Fe2AlB2小尺寸的块体。以上合成方法都有着合成时间过长、工艺复杂、需要真空环境、长时间保温、电能消耗大、块体结构尺寸小且致密化较差和不利于工程应用等诸多缺点。而且到目前为止还没有关于Fe2AlB2大尺寸块体合成方法的报道。
技术实现要素：
本发明为了解决现有技术中Fe2AlB2材料的合成方法成本高、工艺复杂、工艺时间长、耗能高的问题，提出了一种Fe2AlB2材料的合成方法。
一种Fe2AlB2材料的合成方法，Fe2AlB2材料为粉体时，该方法按以下步骤进行：
一、按照摩尔比为2：x：y称取铁粉、铝粉和硼粉做为原料，其中x＝0.5～1.5，y＝1.5～2.5；
将称取的原料置于80℃真空条件下干燥20～30小时；所述铁粉的纯度≥99％，铝粉的
纯度≥99％，硼粉的纯度≥99％；
二、将步骤一称取的原料与铁球混合放入球磨罐中球磨10～30小时，分离出铁球得到均匀混合的原料粉末；所述原料与铁球的质量比为1:3；
三、将步骤二得到的原料粉末装入氧化铝坩埚中，置于管式炉中，在管式炉内部为真空状态或惰性气体保护气氛下将原料粉末加热至1200℃～1350℃，保温0.5～5个小时，然后自然降温至室温，取出氧化铝坩埚中的粉末，即得到Fe2AlB2材料粉体；
所述惰性气体保护气氛为氩气气氛；所述氩气气氛的压力为0.01MPa～1MPa。
一种Fe2AlB2材料的合成方法，Fe2AlB2材料为块体时，该方法按以下步骤进行：
一、按照摩尔比为2：x：y称取铁粉、铝粉和硼粉做为原料，其中x＝0.5～1.5，y＝1.5～2.5；
将称取的原料置于80℃真空条件下干燥20～30小时；所述铁粉的纯度≥99％，铝粉的
纯度≥99％，硼粉的纯度≥99％；
二、将步骤一称取的原料与铁球混合放入球磨罐中球磨10～30小时，分离出铁球得到均匀混合的原料粉末；所述原料与铁球的质量比为1:3；
三、将步骤二得到的原料粉末装入石墨模具中，然后放入高温真空热压炉中，向原料粉末施加20MPa～40MPa的压力，在高温真空热压炉中为真空状态或惰性气体保护气氛下将原料粉末加热至1200℃～1350℃，保温0.5～5个小时，用循环水将高温真空热压炉冷却至室温后，取出石墨模具，得到Fe2AlB2材料块体；所述惰性气体保护气氛为氩气气氛；所述氩气气氛的压力为0.01MPa～1MPa。
本发明具备以下有益效果：
1、本发明采用电弧熔炼方法的相同原料，以铁粉、铝粉和硼粉制备出较高纯度的Fe2AlB2，原材料价格低，可以节省生产成本；
2、本发明工艺设备简单，只需要通电提供能量，工艺成本低，且采用的高温真空管式炉或高温真空热压炉，这两种设备是工程材料制备中普遍应用的设备，这两种设备对工作环境要求低，安全易操作；且本发明利用真空管式炉或高温真空热压炉分别制备出粉体材料和较大尺寸的块体材料，有利于实现工程应用；
3、本发明合成时间短，生产效率高，无需长时间保温，主要的工艺过程在2～4小时内完成，降温需要8个小时左右，而电弧熔炼法电弧处理虽然需要很短时间，但是需要7～14天的保温时间，电弧熔炼方法需要稀盐酸去除Fe4Al13杂质从而获得高纯度Fe2AlB2，本发明节省了这个工艺，所以本发明的方法可以大量减少生产的能源消耗和材料，从而节省生产成本；
4、本发明制备材料的方法得到的产品通过XRD测试，确定合成了较高纯度的Fe2AlB2；通过高分辨率透射电子显微镜观察可知，本发明方法制备的Fe2AlB2是一种三元过渡金属陶瓷材料，晶体结构为斜方晶体，其中B原子之间组成锯齿状的链形结构，每条链上的两个B原子与同一个铁原子结合，组成一个[Fe2B2]的平板结构，每一层平板之间由Al原子分开；
5、本发明制备出的Fe2AlB2通过测试M-H曲线的方法测得Fe2AlB2的居里温度约为300K，等温磁熵变约为ΔSM为4Jkg-1K-1(2T)，绝热温度约为ΔTad为1.8K(2T)，达到了现有方法制备的Fe2AlB2的居里温度280～310K、等温磁熵变ΔSM 3.8～4.5Jkg-1K-1(2T)和绝热温度ΔTad1.5～2K(2T)。
具体实施方式：
本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意合理组合。
具体实施方式一：本实施方式Fe2AlB2材料的合成方法，Fe2AlB2材料为粉体时，该方法按以下步骤进行：
一、按照摩尔比为2：x：y称取铁粉、铝粉和硼粉做为原料，其中x＝0.5～1.5，y＝1.5～2.5；
将称取的原料置于80℃真空条件下干燥20～30小时；
二、将步骤一称取的原料与铁球混合放入球磨罐中球磨10～30小时，分离出铁球得到均匀混合的原料粉末；
三、将步骤二得到的原料粉末装入氧化铝坩埚中，置于管式炉中，在管式炉内部为真空状态或惰性气体保护气氛下将原料粉末加热至1200℃～1350℃，保温0.5～5个小时，然后自然降温至室温，取出氧化铝坩埚中的粉末，即得到Fe2AlB2材料粉体。
本实施方式具备以下有益效果：
1、本实施方式采用电弧熔炼方法的相同原料，以铁粉、铝粉和硼粉制备出较高纯度的Fe2AlB2，原材料价格低，可以节省生产成本；
2、本实施方式工艺设备简单，只需要通电提供能量，工艺成本低，且采用的高温真空管式炉，这种设备是工程材料制备中普遍应用的设备，这种设备对工作环境要求低，安全易操作；且本实施方式利用高温真空热压炉制备出粉体材料有利于实现工程应用；
3、本实施方式合成时间短，生产效率高，无需长时间保温，主要的工艺过程在2～4小时内完成，降温需要8个小时左右，而电弧熔炼法电弧处理虽然需要很短时间，但是需要7～14天的保温时间，电弧熔炼方法需要稀盐酸去除Fe4Al13杂质从而获得高纯度Fe2AlB2，本实施方式节省了这个工艺，所以本实施方式的方法可以大量减少生产的能源消耗和材料，从而节省生产成本；
4、本实施方式制备材料的方法得到的产品通过XRD测试，确定合成了较高纯度的Fe2AlB2；通过高分辨率透射电子显微镜观察可知，本实施方式方法制备的Fe2AlB2是一种三元过渡金属陶瓷材料，晶体结构为斜方晶体，其中B原子之间组成锯齿状的链形结构，每条链上的两个B原子与同一个铁原子结合，组成一个[Fe2B2]的平板结构，每一层平板之间由Al原子分开；
5、本实施方式制备出的Fe2AlB2通过测试M-H曲线的方法测得Fe2AlB2的居里温度约为300K，等温磁熵变约为ΔSM为4Jkg-1K-1(2T)，绝热温度约为ΔTad为1.8K(2T)，达到了现有方法制备的Fe2AlB2的居里温度280～310K、等温磁熵变ΔSM 3.8～4.5Jkg-1K-1(2T)和绝热温度ΔTad1.5～2K(2T)。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一所述铁粉的纯度≥99％，铝粉的纯度≥99％，硼粉的纯度≥99％。其他步骤和参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：步骤三所述惰性气体保护气氛为氩气气氛。其他步骤和参数与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式三不同的是：所述氩气气氛的压力为0.01MPa～1MPa。其他步骤和参数与具体实施方式三相同。
具体实施方式五：本实施方式Fe2AlB2材料的合成方法，Fe2AlB2材料为块体时，该方法按以下步骤进行：
一、按照摩尔比为2：x：y称取铁粉、铝粉和硼粉做为原料，其中x＝0.5～1.5，y＝1.5～2.5；
将称取的原料置于80℃真空条件下干燥20～30小时；
二、将步骤一称取的原料与铁球混合放入球磨罐中球磨10～30小时，分离出铁球得到均匀混合的原料粉末；
三、将步骤二得到的原料粉末装入石墨模具中，然后放入高温真空热压炉中，向原料粉末施加20MPa～40MPa的压力，在高温真空热压炉中为真空状态或惰性气体保护气氛下将原料粉末加热至1200℃～1350℃，保温0.5～5个小时，用循环水将高温真空热压炉冷却至室温后，取出石墨模具，得到Fe2AlB2材料块体。
本实施方式具备以下有益效果：
1、本实施方式采用电弧熔炼方法的相同原料，以铁粉、铝粉和硼粉制备出较高纯度的Fe2AlB2，原材料价格低，可以节省生产成本；
2、本实施方式工艺设备简单，只需要通电提供能量，工艺成本低，且采用的高温真空热压炉，这种设备是工程材料制备中普遍应用的设备，这种设备对工作环境要求低，安全易操作；且本实施方式利用高温真空热压炉制备出较大尺寸的块体材料，有利于实现工程应用；
3、本实施方式合成时间短，生产效率高，无需长时间保温，主要的工艺过程在2～4小时内完成，降温需要8个小时左右，而电弧熔炼法电弧处理虽然需要很短时间，但是需要7～14天的保温时间，电弧熔炼方法需要稀盐酸去除Fe4Al13杂质从而获得高纯度Fe2AlB2，本实施方式节省了这个工艺，所以本实施方式的方法可以大量减少生产的能源消耗和材料，从而节省生产成本；
4、本实施方式制备材料的方法得到的产品通过XRD测试，确定合成了较高纯度的Fe2AlB2；通过高分辨率透射电子显微镜观察可知，本实施方式方法制备的Fe2AlB2是一种三元过渡金属陶瓷材料，晶体结构为斜方晶体，其中B原子之间组成锯齿状的链形结构，每条链上的两个B原子与同一个铁原子结合，组成一个[Fe2B2]的平板结构，每一层平板之间由Al原子分开；
5、本实施方式制备出的Fe2AlB2通过测试M-H曲线的方法测得Fe2AlB2的居里温度约为300K，等温磁熵变约为ΔSM为4Jkg-1K-1(2T)，绝热温度约为ΔTad为1.8K(2T)，达到了现有方法制备的Fe2AlB2的居里温度280～310K、等温磁熵变ΔSM 3.8～4.5Jkg-1K-1(2T)和绝热温度ΔTad1.5～2K(2T)。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式五不同的是：步骤一所述铁粉的纯度≥99％，铝粉的纯度≥99％，硼粉的纯度≥99％。其他步骤和参数与具体实施方式五相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式五或六不同的是：步骤三所述惰性气体保护气氛为氩气气氛。其他步骤和参数与具体实施方式五或六相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式七不同的是：所述氩气气氛的压力为0.01MPa～1MPa。其他步骤和参数与具体实施方式七相同。
用以下实施例验证本发明的有益效果：
实施例1
本实施例Fe2AlB2材料的合成方法，Fe2AlB2材料为粉体时，该方法按以下步骤进行：
一、按照摩尔比为2：x：y称取铁粉、铝粉和硼粉做为原料，其中x＝1，y＝2；将称
取的原料置于80℃真空条件下干燥24小时；所述铁粉的纯度≥99％，铝粉的纯度
≥99％，硼粉的纯度≥99％；
二、将步骤一称取的原料与铁球混合放入球磨罐中球磨24小时，分离出铁球得到均匀混合的原料粉末；所述原料与铁球的质量比为1:3；
三、将步骤二得到的原料粉末装入氧化铝坩埚中，置于管式炉中，在管式炉内部为惰性气体保护气氛下将原料粉末加热至1300℃，保温1个小时，然后自然降温至室温，取出氧化铝坩埚中的粉末，即得到Fe2AlB2材料粉体；所述惰性气体保护气氛为氩气气氛；所述氩气气氛的压力为0.1MPa。
本实施例具备以下有益效果：
1、本实施例采用电弧熔炼方法的相同原料，以铁粉、铝粉和硼粉制备出较高纯度的Fe2AlB2，原材料价格低，可以节省生产成本；
2、本实施例工艺设备简单，只需要通电提供能量，工艺成本低，且采用的高温真空管式炉，这种设备是工程材料制备中普遍应用的设备，这种设备对工作环境要求低，安全易操作；且本实施例利用真空管式炉制备出粉体材料，有利于实现工程应用；
3、本实施例合成时间短，生产效率高，无需长时间保温，主要的工艺过程在2～4小时内完成，降温需要8个小时左右，而电弧熔炼法电弧处理虽然需要很短时间，但是需要7～14天的保温时间，电弧熔炼方法需要稀盐酸去除Fe4Al13杂质从而获得高纯度Fe2AlB2，本实施例节省了这个工艺，所以本实施例的方法可以大量减少生产的能源消耗和材料，从而节省生产成本；
4、本实施例制备材料的方法得到的产品通过XRD测试，确定合成了较高纯度的Fe2AlB2；通过高分辨率透射电子显微镜观察可知，本实施例方法制备的Fe2AlB2是一种三元过渡金属陶瓷材料，晶体结构为斜方晶体，其中B原子之间组成锯齿状的链形结构，每条链上的两个B原子与同一个铁原子结合，组成一个[Fe2B2]的平板结构，每一层平板之间由Al原子分开；
5、本实施例制备出的Fe2AlB2通过测试M-H曲线的方法测得Fe2AlB2的居里温度约为300K，等温磁熵变约为ΔSM为4Jkg-1K-1(2T)，绝热温度约为ΔTad为1.8K(2T)，达到了现有方法制备的Fe2AlB2的居里温度280～310K、等温磁熵变ΔSM 3.8～4.5Jkg-1K-1(2T)和绝热温度ΔTad1.5～2K(2T)。
实施例2
本实施例Fe2AlB2材料的合成方法，Fe2AlB2材料为块体时，该方法按以下步骤进行：
一、按照摩尔比为2：x：y称取铁粉、铝粉和硼粉做为原料，其中x＝1，y＝2；将称
取的原料置于80℃真空条件下干燥24小时；所述铁粉的纯度≥99％，铝粉的纯度
≥99％，硼粉的纯度≥99％；
二、将步骤一称取的原料与铁球混合放入球磨罐中球磨24小时，分离出铁球得到均匀混合的原料粉末；所述原料与铁球的质量比为1:3；
三、将步骤二得到的原料粉末装入石墨模具中，然后放入高温真空热压炉中，向原料粉末施加40MPa的压力，在惰性气体保护气氛下将原料粉末加热至1300℃，保温1个小时，用循环水将高温真空热压炉冷却至室温后，取出石墨模具，得到Fe2AlB2材料块体；所述惰性气体保护气氛为氩气气氛；所述氩气气氛的压力为0.05MPa。
本实施例具备以下有益效果：
1、本实施例采用电弧熔炼方法的相同原料，以铁粉、铝粉和硼粉制备出较高纯度的Fe2AlB2，原材料价格低，可以节省生产成本；
2、本实施例工艺设备简单，只需要通电提供能量，工艺成本低，且采用的高温真空热压炉，这种设备是工程材料制备中普遍应用的设备，这种设备对工作环境要求低，安全易操作；且本实施例利用高温真空热压炉制备出较大尺寸的块体材料，有利于实现工程应用；
3、本实施例合成时间短，生产效率高，无需长时间保温，主要的工艺过程在2～4小时内完成，降温需要8个小时左右，而电弧熔炼法电弧处理虽然需要很短时间，但是需要7～14天的保温时间，电弧熔炼方法需要稀盐酸去除Fe4Al13杂质从而获得高纯度Fe2AlB2，本实施例节省了这个工艺，所以本实施例的方法可以大量减少生产的能源消耗和材料，从而节省生产成本；
4、本实施例制备材料的方法得到的产品通过XRD测试，确定合成了较高纯度的Fe2AlB2；通过高分辨率透射电子显微镜观察可知，本实施例方法制备的Fe2AlB2是一种三元过渡金属陶瓷材料，晶体结构为斜方晶体，其中B原子之间组成锯齿状的链形结构，每条链上的两个B原子与同一个铁原子结合，组成一个[Fe2B2]的平板结构，每一层平板之间由Al原子分开；
5、本实施例制备出的Fe2AlB2通过测试M-H曲线的方法测得Fe2AlB2的居里温度约为300K，等温磁熵变约为ΔSM为4Jkg-1K-1(2T)，绝热温度约为ΔTad为1.8K(2T)，达到了现有方法制备的Fe2AlB2的居里温度280～310K、等温磁熵变ΔSM 3.8～4.5Jkg-1K-1(2T)和绝热温度ΔTad1.5～2K(2T)。