寧波材料所實現對新型磁制冷材料的性能優化

文章來源：寧波材料技術與工程研究所               發布時間：2015-06-12

   傳統壓縮制冷技術廣泛應用于各行各業，形成了龐大的產業，但它存在兩個現實的問題：一是制冷效率低，卡諾循環效率僅為30%，二是含氟制冷劑的使用會導致大氣臭氧層的破壞。在能源日益緊張的今天，人們普遍關心的一是節能二是環保，因此，傳統的制冷技術必將面臨重大改革，尋求新的、高效、無污染的制冷方式成為當今世界迫切需要解決的問題。解決的方法是或者研究開發無氟制冷劑或者找到新的制冷技術。最新發展起來的高效節能的磁制冷技術具有高效節能（卡諾循環效率為60%）、無污染、低噪音、體積小、易維護和壽命長等獨特性能，被認為在冰箱、空調以及超市食品冷凍系統等一系列領域具有廣闊的應用前景。

　　作為磁致冷技術的關鍵部分，性能優良的磁致冷材料是整個系統的核心部分。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心的性能。然而作為實際應用，合適的居里溫度，高的磁熵變，高制冷能力，良好的機械性能，小的磁滯后和熱滯后是影響其實際應用的關鍵因素。間隙小原子H摻雜對居里溫度的調控在La-Fe-Si合金中首次被發現，后續又有研究者發現C、B等小原子對該系合金居里溫度也具有調控作用。但間隙原子對居里溫度調控的同時也會帶來該系磁熵變不同程度的降低。優化磁制冷性能的另一個條件就是對制備工藝進行優化，并且發現快速凝固和電弧熔煉兩種工藝對不同材料體系性能的優化具有不同的作用。此外由于具有高磁熵變的磁制冷工質一般都具有一級相變，磁滯后/熱滯后也是影響其應用的重要因素之一，只有對影響滯后的內在機制進行系統研究才可能有效降低滯后。

　　中國科學院寧波材料技術與工程研究所稀土磁性功能實驗室系統研究了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，利用其內生的碳化物作為彌散強化點，使得合金的機械性能也獲得了大幅度的提高（82.7%）：其壓縮強度從未引入C的556MPa提高到了1016MPa。該工作發表在Scripta Mater.（75,26(2014)）。前期針對NiMnSn合金磁制冷性能的進一步優化，該實驗室系統研究了電弧熔煉和熔體快淬兩種工藝對馬氏體相變相關的磁性進行了系統研究，發現熔體快淬對該系性能優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)）上進行了連續報道。近期針對熔體快淬后的退火工藝進行了進一步的優化，最大磁熵變達到了43.2 J(kgK)-1，制冷能力達到115.4 J(kg)-1。更具有重要意義的是，通過對微觀組織、微觀成分、原子有序度等角度對馬氏體相變的內在機制及磁性和磁制冷性能的影響進行了深入的探討，對如何在提高磁熵變的同時來降低馬氏體相變的滯后給出了具有指導性的研究方法，為獲得高性能磁制冷材料提供了重要的理論指導。該工作發表在Nature旗下的Sci. Rep.（5,11010(2015), DOI: 10.1038/srep11010）。