寧波材料所實(shí)現(xiàn)對(duì)新型磁制冷材料的性能優(yōu)化

文章來(lái)源：寧波材料技術(shù)與工程研究所               發(fā)布時(shí)間：2015-06-12

   傳統(tǒng)壓縮制冷技術(shù)廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，形成了龐大的產(chǎn)業(yè)，但它存在兩個(gè)現(xiàn)實(shí)的問題：一是制冷效率低，卡諾循環(huán)效率僅為30%，二是含氟制冷劑的使用會(huì)導(dǎo)致大氣臭氧層的破壞。在能源日益緊張的今天，人們普遍關(guān)心的一是節(jié)能二是環(huán)保，因此，傳統(tǒng)的制冷技術(shù)必將面臨重大改革，尋求新的、高效、無(wú)污染的制冷方式成為當(dāng)今世界迫切需要解決的問題。解決的方法是或者研究開發(fā)無(wú)氟制冷劑或者找到新的制冷技術(shù)。最新發(fā)展起來(lái)的高效節(jié)能的磁制冷技術(shù)具有高效節(jié)能（卡諾循環(huán)效率為60%）、無(wú)污染、低噪音、體積小、易維護(hù)和壽命長(zhǎng)等獨(dú)特性能，被認(rèn)為在冰箱、空調(diào)以及超市食品冷凍系統(tǒng)等一系列領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

　　作為磁致冷技術(shù)的關(guān)鍵部分，性能優(yōu)良的磁致冷材料是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分。磁致冷材料的重要性能之一是具有高的絕熱溫變，其替代性能是高的磁熵變，這也是研究者比較關(guān)心的性能。然而作為實(shí)際應(yīng)用，合適的居里溫度，高的磁熵變，高制冷能力，良好的機(jī)械性能，小的磁滯后和熱滯后是影響其實(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵因素。間隙小原子H摻雜對(duì)居里溫度的調(diào)控在La-Fe-Si合金中首次被發(fā)現(xiàn)，后續(xù)又有研究者發(fā)現(xiàn)C、B等小原子對(duì)該系合金居里溫度也具有調(diào)控作用。但間隙原子對(duì)居里溫度調(diào)控的同時(shí)也會(huì)帶來(lái)該系磁熵變不同程度的降低。優(yōu)化磁制冷性能的另一個(gè)條件就是對(duì)制備工藝進(jìn)行優(yōu)化，并且發(fā)現(xiàn)快速凝固和電弧熔煉兩種工藝對(duì)不同材料體系性能的優(yōu)化具有不同的作用。此外由于具有高磁熵變的磁制冷工質(zhì)一般都具有一級(jí)相變，磁滯后/熱滯后也是影響其應(yīng)用的重要因素之一，只有對(duì)影響滯后的內(nèi)在機(jī)制進(jìn)行系統(tǒng)研究才可能有效降低滯后。

　　中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所稀土磁性功能實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)研究了NiMnSn赫斯勒合金的磁制冷性能。把間隙原子C引入到NiMnSn合金中，不但顯著提高了居里溫度（提高了50K），并且磁熵變也獲得了大幅度的提高（26%）：從未引入間隙原子的27.4 J(kgK)-1提高到了34.6 J(kgK)-1。針對(duì)該系合金非常脆，難以加工的問題，研究人員提高了C的引入量，利用其內(nèi)生的碳化物作為彌散強(qiáng)化點(diǎn)，使得合金的機(jī)械性能也獲得了大幅度的提高（82.7%）：其壓縮強(qiáng)度從未引入C的556MPa提高到了1016MPa。該工作發(fā)表在Scripta Mater.（75,26(2014)）。前期針對(duì)NiMnSn合金磁制冷性能的進(jìn)一步優(yōu)化，該實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)研究了電弧熔煉和熔體快淬兩種工藝對(duì)馬氏體相變相關(guān)的磁性進(jìn)行了系統(tǒng)研究，發(fā)現(xiàn)熔體快淬對(duì)該系性能優(yōu)化起到了非常重要的作用，該工作在Scripta. Mater.（doi:10.1016/j.scriptamat.04.004(2015)）上進(jìn)行了連續(xù)報(bào)道。近期針對(duì)熔體快淬后的退火工藝進(jìn)行了進(jìn)一步的優(yōu)化，最大磁熵變達(dá)到了43.2 J(kgK)-1，制冷能力達(dá)到115.4 J(kg)-1。更具有重要意義的是，通過(guò)對(duì)微觀組織、微觀成分、原子有序度等角度對(duì)馬氏體相變的內(nèi)在機(jī)制及磁性和磁制冷性能的影響進(jìn)行了深入的探討，對(duì)如何在提高磁熵變的同時(shí)來(lái)降低馬氏體相變的滯后給出了具有指導(dǎo)性的研究方法，為獲得高性能磁制冷材料提供了重要的理論指導(dǎo)。該工作發(fā)表在Nature旗下的Sci. Rep.（5,11010(2015), DOI: 10.1038/srep11010）。