室温磁制冷工质材料解说.doc

室温磁制冷工质材料 摘要 室温磁制冷技术作为一项新兴的、极具发展潜力的高新制冷技术，具有节能、环保的显著有点。在如今生态环境污染极为严重的形势下，该技术已日益受到人们的重视。磁制冷技术是以磁制冷材料为工质的一项制冷技术, 其基本原理是借助磁制冷材料的磁热效应, 通过磁化和去磁过程的反复循环而达到制冷目的的。在不远的将来，磁制冷技术有望取代传统的压缩制冷方式, 用于家用、工业、商业、医疗卫生事业等领域使用的制冷器, 因而室温磁制冷技术有着广泛的经济效益及社会效益。 关键词 磁制冷；磁热效应；居里温度；室温磁制冷材料；磁制冷技术 磁制冷技术简介 1.1 磁热效应 磁热效应又称磁卡效应，是磁性材料的一种固有特性，是指由外磁场的变化引起材料的内部磁熵的改变并伴随着材料的吸热和放热。1881年首先发现金属铁在外加磁场中的磁热效应 随后，和分别解释了磁热效应的本质，并提出在实际应用中利用绝热退磁过程获得超低温；近年来在温室范围利用磁热效应制冷也有了很大的发展。无论在室温区还是在低温区，磁性材料热效应的大小是决定其制冷能力的关键。 磁热效应是所有磁性材料的固有本质。如下图1，常压下磁体的熵S(T,H)是磁场强度H和绝对温度T的函数，它由磁熵、电子熵和晶格熵三部分组成，即： S(T,H)=SM(T,H)+SL(T)+SE(T) 式(1) 其中，是和的函数，和都仅是的函数，因此只有磁熵可以通过改变外场而加以控制。 图1 磁热效应S-T示意图[3] (a)无外场时H=0； (b)磁化时H0； (c)退磁到H=0时 图2 磁制冷原理示意图[3] 物质由原子构成，原子由电子和原子核构成，电子有自旋磁矩还有轨道磁矩，这使得有些物质的原子或离子带有磁矩。顺磁性材料的离子或原子磁矩在无外场时是杂乱无章的，加外磁场后，原子的磁矩沿外场取向排列，使磁矩有序化，从而减少材料的磁熵，会向外排出热量，而一旦去掉外磁场，材料系统的磁有序减小，磁熵增大，因而会从外界吸取热量。如果把这样两个绝热去磁引起的吸热和绝热磁化引起的放热过程用一个循环连接起来，就可使得磁性材料不断地从一端吸热而在另一端放热，从而达到制冷的目的，这就是顺磁盐材料绝热去磁在低温区获得磁制冷的原理。[4] 1.2 热力学基础[3] 热力学中, 熵是微观粒子混乱程度的量度, 所以磁熵是磁性物质磁有序的量度, 材料的磁有序的改变引起磁熵的改变, 从而引起温度的变化。 熵是状态函数, 对于一个封闭系统, 对熵的全微分可表达为： 式（2） 对于一个绝热等温过程,即dp=0；dT=0,式(2)中磁熵只依赖磁场的改变,因此式(2)改写为： 式（3） 外加磁场B 下的系统吉布斯自由能为： 式（4） 温度T和压强p恒定,系统的体积V,磁化强度M,和熵S可由吉布斯自由能得一阶导数给出： 式（5） 式（6） 式（7） 联立式(6)与式(7),得： 式（8） 式（9） 根据热力学第二定律，得： 式（10） 磁系统在外磁场变化ΔB时的熵变为： 式（11） 同样, 在绝热情况下磁系统在外磁场变化ΔB时的温度变化为： 式（12） 1.3 磁制冷技术基本原理 而所谓磁制冷，即指借助磁致冷材料(磁工质)的磁热效应(Magnetocaloric Efect，MCE)，在等温磁化时向外界排放热量，退磁时从外界吸取热量，从而达到制冷目的。其磁制冷工作原理为[2]：磁性物质（磁工质）是由具有磁矩的原子或离子组成的结晶体，自身有一定的热运动或热振动。在没有外加磁场时，磁工质内部磁矩的取向是随意的，此时磁熵较大。当等温磁化时，磁矩将沿外磁场方向排列，使磁熵降低，此时磁工质向外界排出热量；绝热去磁时，由于磁性原子或离子的热运动，磁工质内部的磁矩又趋于无序状态，磁熵增加，此时磁工质从外界吸热，实现制冷的目的。这种对应于磁场增强（减弱）条件下的放（吸）热的物理现象，称为磁热效应（Magnetocaloric Effect, MCE）[5] 1.4 磁制冷循环 磁制冷工质必须借助一定的磁制冷循环才能实现制冷的目的。磁制冷循环主要有以下几种：1)磁卡诺循环：由两个等温过程和两个绝热过程组成；2)斯特林循环：由两个等温过程和两个等磁矩过程组成；3)埃里克森循环：由两个等温过程与两个等磁化场过程组成；4)布雷顿循环：由两个等磁化场过程与两个绝热过程组成。如图3。[5] 图3 磁制冷方式循环示意图[5] 把磁致冷工质的绝热去磁引起的吸热过程和绝热磁化引起的放热过程用一个循环连接起来，从而可使磁性材料在不断地从一端吸热，在另一端放热，就可以达到制冷的目的。磁制冷循环如图4所示。 室温磁致冷采用的主