室溫磁致冷技術(shù)和材料的發(fā)展范文

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《江蘇科技信息雜志》2015年第四期

1磁致冷的相關(guān)理論與原理

1.1磁熵理論磁致冷是利用磁性材料的磁熵變化過(guò)程中吸熱和放出熱的制冷方式。從熱力學(xué)觀點(diǎn)看，磁致冷物質(zhì)由自旋體系、晶格體系和傳導(dǎo)電子體系組成，它們除了各自具有的熱運(yùn)動(dòng)以外，各體系間還存在著種種相互作用，并且進(jìn)行著熱交換。當(dāng)磁性工質(zhì)達(dá)到熱平衡狀態(tài)時(shí)，各體系的溫度都等于磁性工質(zhì)的溫度。磁性工質(zhì)的熵為磁熵、晶格熵和電子熵的總和。在不考慮壓力影響的情況下，磁性材料的其熱力學(xué)性質(zhì)可用吉布斯函數(shù)G（M，T）來(lái)描述（磁場(chǎng)為H，溫度為T，壓力為P）。

1.2磁致冷循環(huán)的原理磁致冷循環(huán)的制冷循環(huán)如圖1所示。磁致冷材料的磁矩在無(wú)外加磁場(chǎng)情況下處于無(wú)序狀態(tài)，磁熵較大；當(dāng)磁致冷材料絕熱磁化時(shí)，磁矩在磁場(chǎng)作用下與外磁場(chǎng)平行，磁有序度增加，磁熵值降低，向外界放出熱量（類似于氣體壓縮放熱的情形）；相反，當(dāng)磁致冷材料絕熱去磁時(shí)，材料的磁矩由于原子或離子的熱運(yùn)動(dòng)又回復(fù)到隨機(jī)排列的狀態(tài)，磁有序度降低，磁熵增加，材料從外界吸收熱量，使外界溫度降低（類似于氣體膨脹吸熱的情形）；不斷重復(fù)上面的循環(huán)，就可實(shí)現(xiàn)制冷目的。

2磁致冷材料的種類及研究現(xiàn)狀

20世紀(jì)90年代中期以前，關(guān)于室溫磁致冷材料的研究主要集中金屬Gd上，該金屬4f層有7個(gè)未成對(duì)電子，居里溫度為293K，在近室溫區(qū)并且具有較大的ΔTad和ΔSM。到了1997年，美國(guó)的K.A.Gschneidner和V.K.Pecharsky發(fā)現(xiàn)了Gd5（Si，Ge）4合金中在室溫區(qū)達(dá)到Gd的2倍，在這之后，其他具有大的磁熵變的磁性材料也相繼發(fā)現(xiàn)。

2.1La-Fe-Si化合物中科院物理所發(fā)現(xiàn)的La-Fe-Si化合物呈立方NaZn13型，隨著Si含量的改變，材料的居里溫度TC發(fā)生變化，Si含量越多，TC越高；材料的磁熵變值隨Si含量的增加而減小。盡管La（Fe13－xSix）在低Si含量時(shí)相變點(diǎn)附近的熵變值很大，但是相變溫度低于室溫，對(duì)其應(yīng)用有一定的影響，因此提高相變點(diǎn)溫度同時(shí)又保持化合物大的磁熵變?cè)诖祟惢衔锏难芯恐酗@得尤為必要的。

2.2La-Ca-Mn-O氧化物香港科技大學(xué)和南京大學(xué)先后發(fā)現(xiàn)了ABO3型La-Ca-Mn-O氧化物，這是迄今為止發(fā)現(xiàn)的唯一具有顯著磁熱效應(yīng)氧化物。在對(duì)La-Ca-Mn-O進(jìn)行La、Mn位適當(dāng)摻雜后，可實(shí)現(xiàn)其居里溫度的調(diào)整，并且這類化合物成本較Gd5（Si，Ge）4合金低，但是磁熱性能與其他磁致冷材料偏低，要在磁制冷技術(shù)中進(jìn)行應(yīng)用，其磁熱性能還需進(jìn)一步提高。3.3Mn-Fe-P-As化合物荷蘭Amsterdam大學(xué)發(fā)現(xiàn)的Fe2P型的Mn-Fe-P-As具有磁場(chǎng)誘發(fā)的一級(jí)磁相變，Mn-FeP0.45As0.55的相變溫度高達(dá)307K，并且在5T外場(chǎng)變化下的磁熵變與Gd5（Si，Ge）4合金幾乎相當(dāng)。但是As是一種劇毒化學(xué)元素，如何采取改進(jìn)措施，利用其他元素來(lái)代替As又不影響其磁熱性能，成為該合金是否能直接應(yīng)用的磁制冷技術(shù)中的關(guān)鍵。

3結(jié)語(yǔ)

基于磁熱效應(yīng)的磁致冷技術(shù)具有綠色環(huán)保、高效節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)，是未來(lái)極具市場(chǎng)前景的一項(xiàng)制冷新技術(shù)，目前關(guān)于該技術(shù)的相關(guān)研究是科學(xué)界和材料學(xué)界的一大熱點(diǎn)。本文從制冷技術(shù)的發(fā)展歷史、磁熵理論、磁致冷循環(huán)的原理、磁致冷材料的種類及研究現(xiàn)狀等方面進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹，讓人們對(duì)磁制冷技術(shù)的研究有所了解從而推動(dòng)該項(xiàng)工作更好的開展。

作者：李波單位：江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院徐州機(jī)電工程分院