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稀土术语(五):稀土功能材料(9) 稀土磁制冷材料

分类:稀土知识

稀土磁制冷材料

磁热效应

磁性材料在变化的磁场中产生温度变化的一种磁-热现象,一般情况下磁性材料磁化时放热、退磁时吸热,其物理本质是磁性材料发生了磁致相变。

 

巨磁热效应

磁热效应如磁熵变明显大于二级相变磁致冷材料Gd的一种现象,这种现象几乎都出现在一些一级相变磁致冷材料中,是一种相对的概念。

 

磁制冷

利用磁热效应实现制冷的一种技术。20K以下的超低温和20~77K的低温磁制冷技术发展历史长,技术已十分成熟。77K至室温属于普冷温区。室温磁制冷指采用居里温度在室温附近的磁致冷材料实现制冷的技术。

 

磁制冷循环

磁制冷循环有卡诺(Carnot)、埃里克森(Ericsson)、布雷顿(Brayton)和斯特林(Stirling)四种。卡诺循环由两个绝热和两个等温过程组成,埃里克森循环由两个等磁场和两个等温过程组成,布雷顿循环由两个绝热和两个等磁场过程组成,斯特林循环由两个等温过程和两个等磁化过程组成。在20K以下温区,采用卡诺循环。在20K以上温区,由于材料晶格熵不可忽略,采用埃里克森、布雷顿或斯特林循环。

 

等温磁熵变

衡量磁制冷材料磁热效应大小的一个参数,一般通过测量一系列等温磁化曲线或磁比热曲线后,通过Maxwell等公式间接计算得到,单位一般是J/kg.KJ/mol.K

 

绝热温变

衡量磁制冷材料磁热效应大小的一个参数,一般通过直接测量的方式或由磁熵变和磁比热计算得到,单位是K

 

居里温度Tc

居里温度也称居里点,指材料从铁磁相转变成顺磁的相变温度。在磁致冷材料中,二级相变磁致冷材料的居里温度指其发生顺磁相和铁磁相转变的温度,一级相变材料在居里温度附近发生磁相变的同时还伴随结构相变或晶格突变。

 

一级相变磁制冷材料

指在居里温度附近发生磁相变的同时还伴随结构相变或晶格突变的磁致冷材料,这类材料还可能具有巨磁热效应,具有不连续相变特征,典型的稀土一级相变磁致冷材料包括Gd5(Si,Ge)4La(Fe,Si)13等。

 

二级相变磁制冷材料

指在居里温度附近仅发生磁相变的磁致冷材料,磁相变时体积不发生变化,具有连续相变特征,典型的稀土二级相变磁制冷材料包括单质稀土金属Gd等。

 

滞后现象

指磁制冷材料在升温和降温或磁化和退磁循环过程中出现的一种热滞后和磁滞后现象。由于在居里温度附件存在结构相变或晶格突变,一级相变磁致冷材料普遍表现出热滞和磁滞现象。热滞和磁滞对磁制冷材料在磁制冷机中的应用不利。

 

Gd5(Si,Ge)4磁制冷材料

Gd5(SixGe1-x)4(x£0.5)磁制冷材料是一种具有巨磁热效应的一级相变磁致冷材料,变化x可以在20K(x=0)~276K(x=0.5)之间调控居里温度。Gd5Si2Ge2合金居里温度约276K0~2T的磁熵变约14J/kg.K、绝热温变7~8K0~5T的磁熵变约18J/kg.K、绝热温变约15K,居里温度附近同时发生磁相变、正交与单斜结构相变的磁晶转变,通过添加微量Ga可以在保持巨磁热效应的同时将居里温度提高到约286K

 

La(Fe,Si)13磁制冷材料

LaFe13-xSix(1.1≤x ≤1.6)磁致冷材料是一种具有巨磁热效应的一级相变磁致冷材料,具有NaZn13立方结构,居里温度在190K以下,居里温度处发生铁磁-顺磁转变时伴随着巨大晶格负膨胀,居里温度以上存在磁场诱导的巡游电子变磁转变。通过Co部分替代FeH原子间隙掺杂可将居里温度提高到室温附近。

 

RMnO3基磁制冷材料

R1-xAxMnO3是一类钙钛矿结构的磁致冷材料,其中R表示LaPrNdSmYTb等三价稀土元素,A表示LiNaKCaSrBa等碱金属或碱土金属元素。其中部分材料表现出巨磁热效应,如居里温度约225KLa0.8Ca0.2MnO30~1.5T的磁熵变约为5.5J/kg.K

 

磁制冷机

利用磁热效应实现制冷的一种制冷装置,一般由磁致冷材料(工质)、磁体(永磁体、超导磁体或电磁体)和换热系统组成。

 

旋转式磁制冷机

磁致冷材料(工质)与磁体之间产生旋转相对运动的一种磁制冷机,可以是磁致冷材料(工质)相对磁体转动,也可以是磁体相对磁致冷材料(工质)转动。

 

往复式磁制冷机

磁制冷材料(工质)与磁体之间产生相对往复直线运动的一种磁制冷机,可以是磁致冷材料(工质)相对磁体做往复直线运动,也可以是磁体相对磁致冷材料(工质)做往复直线运动。

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