室温磁致冷技术和材料的发展范文

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《江苏科技信息杂志》2015年第四期

1磁致冷的相关理论与原理

1.1磁熵理论磁致冷是利用磁性材料的磁熵变化过程中吸热和放出热的制冷方式。从热力学观点看，磁致冷物质由自旋体系、晶格体系和传导电子体系组成，它们除了各自具有的热运动以外，各体系间还存在着种种相互作用，并且进行着热交换。当磁性工质达到热平衡状态时，各体系的温度都等于磁性工质的温度。磁性工质的熵为磁熵、晶格熵和电子熵的总和。在不考虑压力影响的情况下，磁性材料的其热力学性质可用吉布斯函数G（M，T）来描述（磁场为H，温度为T，压力为P）。

1.2磁致冷循环的原理磁致冷循环的制冷循环如图1所示。磁致冷材料的磁矩在无外加磁场情况下处于无序状态，磁熵较大；当磁致冷材料绝热磁化时，磁矩在磁场作用下与外磁场平行，磁有序度增加，磁熵值降低，向外界放出热量（类似于气体压缩放热的情形）；相反，当磁致冷材料绝热去磁时，材料的磁矩由于原子或离子的热运动又回复到随机排列的状态，磁有序度降低，磁熵增加，材料从外界吸收热量，使外界温度降低（类似于气体膨胀吸热的情形）；不断重复上面的循环，就可实现制冷目的。

2磁致冷材料的种类及研究现状

20世纪90年代中期以前，关于室温磁致冷材料的研究主要集中金属Gd上，该金属4f层有7个未成对电子，居里温度为293K，在近室温区并且具有较大的ΔTad和ΔSM。到了1997年，美国的K.A.Gschneidner和V.K.Pecharsky发现了Gd5（Si，Ge）4合金中在室温区达到Gd的2倍，在这之后，其他具有大的磁熵变的磁性材料也相继发现。

2.1La-Fe-Si化合物中科院物理所发现的La-Fe-Si化合物呈立方NaZn13型，随着Si含量的改变，材料的居里温度TC发生变化，Si含量越多，TC越高；材料的磁熵变值随Si含量的增加而减小。尽管La（Fe13－xSix）在低Si含量时相变点附近的熵变值很大，但是相变温度低于室温，对其应用有一定的影响，因此提高相变点温度同时又保持化合物大的磁熵变在此类化合物的研究中显得尤为必要的。

2.2La-Ca-Mn-O氧化物香港科技大学和南京大学先后发现了ABO3型La-Ca-Mn-O氧化物，这是迄今为止发现的唯一具有显著磁热效应氧化物。在对La-Ca-Mn-O进行La、Mn位适当掺杂后，可实现其居里温度的调整，并且这类化合物成本较Gd5（Si，Ge）4合金低，但是磁热性能与其他磁致冷材料偏低，要在磁制冷技术中进行应用，其磁热性能还需进一步提高。3.3Mn-Fe-P-As化合物荷兰Amsterdam大学发现的Fe2P型的Mn-Fe-P-As具有磁场诱发的一级磁相变，Mn-FeP0.45As0.55的相变温度高达307K，并且在5T外场变化下的磁熵变与Gd5（Si，Ge）4合金几乎相当。但是As是一种剧毒化学元素，如何采取改进措施，利用其他元素来代替As又不影响其磁热性能，成为该合金是否能直接应用的磁制冷技术中的关键。

3结语

基于磁热效应的磁致冷技术具有绿色环保、高效节能等优点，是未来极具市场前景的一项制冷新技术，目前关于该技术的相关研究是科学界和材料学界的一大热点。本文从制冷技术的发展历史、磁熵理论、磁致冷循环的原理、磁致冷材料的种类及研究现状等方面进行了简要介绍，让人们对磁制冷技术的研究有所了解从而推动该项工作更好的开展。

作者：李波单位：江苏联合职业技术学院徐州机电工程分院