稀土磁制冷材料簡介
1 磁制冷技術(shù)的發(fā)展
1918年Weiss和Pieeard發(fā)現(xiàn)，在磁場下會引起Ni溫度升高，并于1926年發(fā)表了關(guān)于Ni的磁熱效應(yīng)的研究報告，他們是根據(jù)Edison和Tesla的專利進行的研究。
磁性材料 1926年荷蘭物理學(xué)家Debye和美國化學(xué)家Giauque分別提出，對順磁材料進行絕熱退磁可以使溫度降低至液He溫度。1933年Giauque等人用Y2(SO4)3成功地進行了絕熱退磁制冷實驗，溫度達到3.5K[7]。隨后的兩次實驗又分別達到0.34和0.25K。50年代關(guān)于絕熱去磁的研究已很普遍。1954年，Herr等人制造出第一臺半連續(xù)的磁制冷機，1966年荷蘭的VanGeuns研究了順磁材料磁熱效應(yīng)的應(yīng)用(1K以下)仁列，提出并分析了磁Stirling循環(huán)。1976年美國NASA的LewiS研究中心的Brown用金屬Gd作為磁致冷工質(zhì)·用超導(dǎo)體提供0-7T的外磁場.成功地獲得了室溫附近的磁致冷。這一實驗具有重要意義.它揭示了磁致冷在室溫下的應(yīng)用前景。后來美國LosAlamos的Steyert.法國Grenoble的LaeazeL等.日本東京工業(yè)大學(xué)的橋本和前蘇聯(lián)的Nikitin[15]等，都對磁致冷材料和裝置做了許多的研究工作.取得了顯著的進展。
2 磁制冷的基本原理
磁制冷方式是一種以
磁性材料為工質(zhì)的制冷技術(shù)，其基本原理是借助磁制冷材料的可逆磁熱效應(yīng)，又稱磁卡效應(yīng)，即磁制冷材料等溫磁化時向外界放出熱量，而絕熱退磁時溫度降低因而可從外界吸取熱量，達到制冷目的。物質(zhì)由原子構(gòu)成，原子由屯子和原子核構(gòu)成，電子有自旋磁矩還有軌道磁矩，這使得有些物質(zhì)的原子或離子帶有磁矩。順
磁性材料的離子或原子磁矩在無外場時是雜亂無章的，加外磁場后，原子的磁矩沿外場取向排列，使磁矩有序化，從而減少材料的磁嫡，會向外排出熱盤，而一旦去掉外磁場，材料系統(tǒng)的磁有序減小，磁嫡增大，因而會從外界吸取熱量。如果把這樣兩個絕熱去磁引起的吸熱和絕熱磁化引起的放熱過程用一個循環(huán)連接起來，就可使得
磁性材料不斷地從一端吸熱而在另一端放熱，從而達到制冷的目的，這就是順磁鹽材料絕熱去磁在低溫區(qū)獲得磁制冷的原理。在高溫區(qū)，磁制冷是利用鐵磁性材料在居里溫度附近等溫去磁以獲得大的磁嫡變進行制冷的。我們把磁制冷中這種吸熱、放熱的磁性材料稱磁制冷工質(zhì)，磁制冷中制冷的效果、效率依賴于磁制冷工質(zhì)的磁嫡變大小或磁熱效應(yīng)。磁制冷研究中一個十分關(guān)鍵的問題就是磁制冷工質(zhì)的研究。與通常的壓縮氣體致冷方式相比較，磁制冷使用的是固態(tài)工質(zhì)，它具有較大的嫡密度，使致冷機體積小，只有活賽式壓縮機的一半。磁制冷機是利用磁場變化來取代壓力變化，這樣整個系統(tǒng)就省去了壓縮機、膨脹機等運動機械，因此結(jié)構(gòu)相對簡單，振動和噪音也大幅度降低，無污染。
軟磁合金 另一方面，固態(tài)工質(zhì)使得所有的熱交換能在液態(tài)和固態(tài)之間進行，功耗低，效率高，可達到氣體致冷機的十倍。由于氣體致冷工質(zhì)使用的氟里昂氣體對大氣中臭氧層有破壞作用而被國際上禁用，從而更促使磁制冷成為引人矚目的國際前沿研究課題。磁制冷總的研究趨勢是低溫向高溫發(fā)展。
3 稀土磁制冷材料的應(yīng)用
磁致冷材料是用于磁致冷系統(tǒng)的具有磁熱效應(yīng)的物質(zhì)。磁致冷首先是給磁體加磁場，使磁矩按磁場方向整齊排列，然后再撤去磁場，使磁矩的方向變得雜亂，這時磁體從周圍吸收熱量，通過熱交換使周圍環(huán)境的溫度降低，達到致冷的目的。磁致冷材料是指用于磁致冷系統(tǒng)的具有磁熱效應(yīng)的一類材料，磁致冷材料是磁致冷機的核心部分，即一般稱謂的制冷劑或制冷工質(zhì)。
低溫超導(dǎo)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，迫切需要液氦冷卻低溫超導(dǎo)磁體，但液氦價格昂貴，因而希望有能把液氦氣化的氦氣再液化的小型高效率制冷機。如果把以往的氣體壓縮—膨脹式制冷機小型化，必須把壓縮機變小，這樣將使制冷效率大大降低。因此，為了滿足液化氦氣的需要，人們加速研制低溫（4～20K）磁致冷材料和裝置，經(jīng)過多年的努力，目前低溫磁致冷技術(shù)已達到實用化。低溫磁致冷所使用的磁致冷材料主要是稀土石榴石Gd3Ga5O12(GGG)和Dy3Al5O12(DAG)單晶。使用GGG或DAG等材料做成的低溫磁致冷機屬于卡諾磁致冷循環(huán)型，起始致冷溫度分別為16K和20K。
低溫磁致冷裝置具有小型化和高效率等獨特優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于低溫物理、磁共振成像儀、粒子加速器、空間技術(shù)、遠紅外探測及微波接收等領(lǐng)域，某些特殊用途的電子系統(tǒng)在低溫環(huán)境下，其可靠性和靈敏度能夠顯著提高。
磁致冷是使用無害、無環(huán)境污染的稀土材料作為制冷工質(zhì)，若取代目前使用氟里昂制冷劑的冷凍機、電冰箱、冰柜及空調(diào)器等，可以消除由于生產(chǎn)和使用氟里昂類制冷劑所造成的環(huán)境污染和大氣臭氧層的破壞，因而能保護人類的生存環(huán)境，具有顯著的環(huán)境和社會效益。
1987年80多個國家參加簽署的《關(guān)于消耗臭氧層物質(zhì)的蒙特利爾議定書》規(guī)定，為了防止生產(chǎn)和使用氟氯碳類化合物造成的大氣臭氧層的破壞，到2000年全世界將限制和禁止使用氟里昂制冷劑，我國于1991年6月加入這個國際公約并作出規(guī)定，到2010年我國將禁止生產(chǎn)和使用氟里昂等氟氯碳和氫氟氯碳類化合物。因此，需要加快研究開發(fā)無害的新型制冷劑或不使用氟里昂制冷劑的其它類型制冷技術(shù)。迄今，在有關(guān)這方面的研究開發(fā)中，發(fā)現(xiàn)磁致冷是制冷效率高，能量消耗低，無污染的制冷方法之一。從目前美國室溫磁致冷技術(shù)研究進展情況看，在3到5年內(nèi)，室溫磁致冷技術(shù)有可能在汽車空調(diào)系統(tǒng)中得到實際應(yīng)用之后，并將進一步開發(fā)家用空調(diào)和電冰箱等磁致冷裝置。
磁致冷所用的制冷材料基本都是以稀土金屬為主要組元的合金或化合物，尤其是室溫磁致冷幾乎全是采用稀土金屬Gd或Gd基合金.
目前，磁致冷材料、技術(shù)和裝置的研究開發(fā)，美國和日本居領(lǐng)先水平，這些發(fā)達國家都把磁致冷技術(shù)研究開發(fā)列為21世紀的重點攻關(guān)項目，投入了大量資金、人力和物力，競爭極為激烈，都想搶先占領(lǐng)這一高新技術(shù)領(lǐng)域。
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