稀土磁制冷材料是无污染的制冷工质材料,用磁制冷材料取代目前使用氟利昂制冷剂的冷冻机、电冰箱、冰柜及空调器,可以消除用于生产和使用氟利昂类制冷所造成的环境污染和对大气臭氧层的破坏。磁制冷是利用外加磁场而使磁工质的磁矩发生有序、无序的变化(相变)引起磁体吸热和放热作用而进行制冷循环。与气体压缩制冷相比,磁制冷具有熵密高、体积小、结构简单、噪声小、效率高及功耗低等特点。当前,磁制冷已在低温区得到广泛使用。目前,由于氟利昂气体的禁用,室温磁制冷的研究已成为国际前沿研究课题。我国2010年将全面禁止生产和使用氟利昂等氟氯碳和氢氟氯碳类化合物制冷剂,因此,需加快研究磁制冷技术和应用的研究、开发步伐。
20世纪80年代,采用Gd3Ga3O12(GGG)型的顺磁性石榴石化合物,成功地应用于1.5K~15K的磁制冷。90年代,用磁性铁离子取代部分非磁性镓离子,从而使这种材料成为20K温区最佳的磁制冷材料。1997年报道钙钛矿磁性化合物磁熵变超过金属Gd ,同年报道Gd5(Si2Ge2)化合物的磁熵变比金属Gd高1倍。2001年荷兰学者研制出MnFeP1-xAsx系四元合金,当成分在0.4≤x≤0.66范围变化时,该系合金材料最大磁热效应对应的温度在200K~350K,有效工作温区比Gd5(Si0.5Ge0.5)4提高了20K。目前,在已知的磁制冷工质中,综合性能最好的是GdSiGe系合金和MnFeP1-xAsx系合金,利用他们制备复合材料都可满足近室温磁制冷的Ericsson循环的需要,但是GdSiGe系合金成本很高,化学稳定性又差,室温较难接受,而MnFePAs 系合金具有居里温度高、 磁熵大的特点且可逆性好,工艺简单,价格便宜(世界上MnFePAs材料的各种组成元素的矿藏量非常丰富),因此,该系的合金目前来说,最适合作为室温磁制冷材料;La1-xCaxMnO3系化合物具有成本低、电阻大的优势,但其居里温度低。
目前,室温磁制冷技术还处于研究开发的初级阶段。美国和日本居领先水平。2002年美国能源部依阿华州立大学Ames实验室的科研人员研究出世界第一台能在室温下工作的磁冰箱样机,相信磁制冷实用化为期不远。国内的北京科技大学、北京钢铁研究总院、南京大学、四川大学、包头稀土研究院也在开展此方面的研究工作,对LaFeSi、Gd80Tb20、Gd5Si4、Gd3Al2、LaCaMnO等磁制冷材料进行了大量深入研究,已取得了重要进展。
室温磁制冷技术存在的问题是:每次磁制冷循环所降低的温度差不够大;特殊要求的绝热技术尚未解决;磁制冷过程中的热交换速度不够快。
目前,室温磁制冷材料的研究处于最艰难的阶段,不论在现有材料的理论机理、研究开发、应用器件等,都有待于突破。
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