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室温磁制冷技术研究进展

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董晓冬

摘要:室温磁制冷是一种环保、高效、节能的制冷技术。尽管目前还不太成熟,但是它显示出广阔的应用前景,有望取代传统的制冷技术。本文简述了磁制冷的基本原理,总结了近几年室温磁制冷材料的发展情况,指出了室温磁制冷材料在商业化应用中存在的问题,并对室温磁制冷材料未来的发展进行了展望。

关键词:室温磁制冷;居里温度;等温熵变;绝热温变;哈斯勒合金

:TB66:A:1003-5168(2020)05-0128-04

Abstract:Roomtemperaturemagneticrefrigerationisanewhighlyefficientandenvironmentallyprotectivetechnology.Althoughithasnotbeenmaturelydeveloped,itshowsgreatapplicableprosperityandseemstobeasubstituteforthetraditionalvaporcompressiontechnology.Thispaperbrieflydescribedthebasicprincipleofmagneticrefrigeration,reviewedthedevelopmentconditionoftheroomtemperaturemagneticrefrigerationmaterialsinrecentyears,andpointedouttheproblemsthattheroomtemperaturemagneticrefrigerationmaterialsfacesindevelopingandsuggestedfurtherresearchofroomtemperaturemagneticrefrigerant.

Keywords:room-temperaturemagneticrefrigeration;curietemperature;isothermalentropychange;adiabatictemperature;Heusleralloy

传统制冷系统或破坏臭氧层破坏,产生“热岛效应”[1]。对大气臭氧层的破坏最为受到人们的重视,臭氧空洞的出现和扩大将直接威胁人类健康,大气中的臭氧含量每减少1%,人们患皮肤癌的概率就增加3%[2]。为减少传统制冷系统对环境的破坏,人们不断寻找新的制冷剂,并通过技术创新使用新的制冷系统。磁制冷技术是一种新型制冷系统,不使用破坏臭氧层的制冷剂,比传统制冷系统有更高的能效[3]。1976年,Brown利用Gd作为磁制冷材料,制造出第一台磁制冷机[4]。1997年,Pecharsky和Gschneidner发现Gd5Si2Ge2在一级相变结构下具有较大的磁热效应,引起众多科学家对磁性材料在一级相变下取得巨磁热效应研究的兴趣。截至目前,人们研究了大量的合金化合物及其磁热性能[5-6]。

1磁制冷基本原理

磁制冷是依靠磁性材料的磁热效应达到制冷效果。如图1所示,磁热效应[7]是指在外加磁场发生变化时,磁性材料的温度随着磁场强度变化而发生改变,即磁磁场强度改变,材料自身发生吸、放热的现象。

2常见磁制冷材料

磁制冷材料性能表征量有:在一定的磁场变化下绝

热温变[ΔTad]、等温磁熵变[ΔSM]和相对制冷量RCP。目前,室温磁制冷材料的研究主要集中在Gd金属化合物、Mn基金属化合物、La金属化合物和Heusler合金。

2.1Gd金属化合物

Gd金属及其合金化合物一直都是人们所关注的热点。金属Gd的居里温度为293K,并且位于居里温度处时,0~5T磁场变化时的最大磁熵变[ΔSmax]为9.5J/(kg·K),最大绝热温变[ΔTad]为12K[8],常被用作研究其他磁制冷材料的基准量。1997年,Pecharsky和Gschneider发现具有巨磁热效应的磁性材料Gd-Si-Ge,这种磁性材料的磁熵变[ΔSM]和绝热温变[ΔTad]比其他的Gd基材料大70%~80%[9],不仅有巨磁热性质,还有较大的磁致伸缩和巨磁阻效应。Yucel[10]等研究了3d轨道原子Co和Mn,以及p轨道原子Ga和B对化合物[Gd5(Si2-zGe2-zR2z)]的磁性特性的影响。他们发现通过Si和Ge的掺杂,居里温度可以在20~286K调节,与此同时,磁熵变也在这个温域实现调节。当R=Mn时,[Gd5(Si2-zGe2-zR2z)]的最大磁熵变[ΔSmax]的值随着Mn的掺

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