室溫磁致冷技術和材料的發(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程中吸熱和放出熱的制冷方式。從熱力學觀點看，磁致冷物質(zhì)由自旋體系、晶格體系和傳導電子體系組成，它們除了各自具有的熱運動以外，各體系間還存在著種種相互作用，并且進行著熱交換。當磁性工質(zhì)達到熱平衡狀態(tài)時，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性質(zhì)可用吉布斯函數(shù)G（M，T）來描述（磁場為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外加磁場情況下處于無序狀態(tài)，磁熵較大；當磁致冷材料絕熱磁化時，磁矩在磁場作用下與外磁場平行，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，當磁致冷材料絕熱去磁時，材料的磁矩由于原子或離子的熱運動又回復到隨機排列的狀態(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）；不斷重復上面的循環(huán)，就可實現(xiàn)制冷目的。

2磁致冷材料的種類及研究現(xiàn)狀

20世紀90年代中期以前，關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個未成對電子，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含量時相變點附近的熵變值很大，但是相變溫度低于室溫，對其應用有一定的影響，因此提高相變點溫度同時又保持化合物大的磁熵變在此類化合物的研究中顯得尤為必要的。

2.2La-Ca-Mn-O氧化物香港科技大學和南京大學先后發(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氧化物。在對La-Ca-Mn-O進行La、Mn位適當摻雜后，可實現(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，要在磁制冷技術中進行應用，其磁熱性能還需進一步提高。3.3Mn-Fe-P-As化合物荷蘭Amsterdam大學發(fā)現(xiàn)的Fe2P型的Mn-Fe-P-As具有磁場誘發(fā)的一級磁相變，Mn-FeP0.45As0.55的相變溫度高達307K，并且在5T外場變化下的磁熵變與Gd5（Si，Ge）4合金幾乎相當。但是As是一種劇毒化學元素，如何采取改進措施，利用其他元素來代替As又不影響其磁熱性能，成為該合金是否能直接應用的磁制冷技術中的關鍵。

3結(jié)語

基于磁熱效應的磁致冷技術具有綠色環(huán)保、高效節(jié)能等優(yōu)點，是未來極具市場前景的一項制冷新技術，目前關于該技術的相關研究是科學界和材料學界的一大熱點。本文從制冷技術的發(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)狀等方面進行了簡要介紹，讓人們對磁制冷技術的研究有所了解從而推動該項工作更好的開展。

作者：李波單位：江蘇聯(lián)合職業(yè)技術學院徐州機電工程分院