磁性材料第七章課件

1、第七章 磁制冷材料*制冷：使某一空間內(nèi)物體的溫度低于周圍環(huán)境介質(zhì)的溫度，并維持這一低溫的過(guò)程。*制冷方法：(1)利用氣體膨脹產(chǎn)生的冷效應(yīng)實(shí)現(xiàn)制冷。(2)利用物質(zhì)相變(如融化、液化、升華、磁相變)的吸熱效應(yīng)實(shí)現(xiàn)制冷。(3)利用半導(dǎo)體的溫差電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)制冷。*氣體壓縮制冷的缺點(diǎn)：低效率（只能達(dá)到卡諾循環(huán)的510）、危害環(huán)境（氟利昂、氨、碳?xì)浠衔锏戎评鋭?磁制冷（綠色制冷技術(shù)）：無(wú)害環(huán)境、高效率（可達(dá)卡諾循環(huán)的3060）、熵密高、體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、噪音小、壽命長(zhǎng)、便于維修等。第七章 磁制冷材料*制冷：使某一空間內(nèi)物體的溫度低于周圍環(huán)7.1 磁制冷原理磁熱效應(yīng)（磁卡效應(yīng)）：固體磁性物質(zhì)，被磁化時(shí)，系

2、統(tǒng)的磁有序度加強(qiáng)(磁熵減小)，對(duì)外放出熱量；再將其去磁，則磁有序度下降(磁熵增大)，又要從外界吸收熱量。磁熱效應(yīng)的表征：絕熱溫變 、等溫磁熵變SM：磁熵；SL：晶格熵；SE：電子熵；ST：溫熵7.1 磁制冷原理磁熱效應(yīng)（磁卡效應(yīng)）：固體磁性物質(zhì)，被磁磁性材料第七章課件在絕熱過(guò)程中系統(tǒng)熵變?yōu)榱惝?dāng)絕熱磁化時(shí)，磁化熵減小，溫熵增大，故工質(zhì)溫度升高；當(dāng)絕熱去磁時(shí)，情況剛好相反，從而達(dá)到制冷目的。磁熱效應(yīng)的測(cè)試方法：1、直接測(cè)量法 2、間接測(cè)量法：磁化強(qiáng)度法：測(cè)量一系列不同溫度下的等溫磁化MH曲線后 比熱容測(cè)量法：磁比熱溫度曲線熵溫度曲線在絕熱過(guò)程中系統(tǒng)熵變?yōu)榱惝?dāng)絕熱磁化時(shí)，磁化熵減小，溫熵增大，7.2

3、 磁制冷技術(shù)1、磁制冷實(shí)現(xiàn)的過(guò)程（1）等溫磁化過(guò)程（2）絕熱去磁過(guò)程（3）等溫去磁過(guò)程（4）絕熱磁化過(guò)程7.2 磁制冷技術(shù)1、磁制冷實(shí)現(xiàn)的過(guò)程（1）等溫磁化過(guò)程2、磁制冷與氣體壓縮制冷的比較（1）原理不同；（2）制冷工質(zhì)差異大2、磁制冷與氣體壓縮制冷的比較3、磁制冷循環(huán)3、磁制冷循環(huán)磁性材料第七章課件磁性材料第七章課件4、磁制冷技術(shù)研究現(xiàn)狀*低溫溫區(qū)（77K）：研究重點(diǎn)在室溫溫區(qū)。在室溫范圍內(nèi)，磁制冷材料的晶格熵很大，如果不采取措施取出晶格熵，有效熵變將非常小；在室溫范圍內(nèi)強(qiáng)磁場(chǎng)的設(shè)計(jì)以及換熱性能的加強(qiáng)都是很關(guān)鍵的。4、磁制冷技術(shù)研究現(xiàn)狀*低溫溫區(qū)（20K）：由于晶格熵可忽5、影響磁制冷效果的

4、關(guān)鍵技術(shù)（1）合適的磁制冷循環(huán)（2）高性能的磁工質(zhì)（3）磁場(chǎng)分析、磁體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（4）蓄冷技術(shù)（5）換熱技術(shù)7.3 磁制冷材料1、磁制冷材料的選擇依據(jù)兩個(gè)重要的參量：居里溫度；磁熵。*居里溫度與De Gennes因子J(J+1)(g-1)2成正比5、影響磁制冷效果的關(guān)鍵技術(shù)（1）合適的磁制冷循環(huán)7.3 磁性材料第七章課件*磁工質(zhì)的最大理論磁熵SM 為Rln(2J+1)*磁工質(zhì)的最大理論磁熵SM 為Rln(2J+1)*順磁材料的磁熵變*鐵磁材料的磁熵變*對(duì)磁制冷材料的要求：較大的J和g值 大的磁熵變； 較合適的 (特別是對(duì)高溫區(qū)間， 較高時(shí)可使晶格熵相應(yīng)減小)；低的比熱、高的導(dǎo)熱率，以保障磁工質(zhì)有

5、明顯的溫度變化及快速進(jìn)行熱交換；高的電阻，以避免產(chǎn)生渦流及相應(yīng)的熱量；良好的成型加工性能。*順磁材料的磁熵變*鐵磁材料的磁熵變*對(duì)磁制冷材料的要求：2、磁制冷材料（1）低溫區(qū)磁制冷材料*利用磁卡諾循環(huán)進(jìn)行制冷，工作的工質(zhì)材料處于順磁狀態(tài)。研究的主要材料：*4.2K以下常用GGG和Gd2(SO4)38H2O等材料生產(chǎn)液氦流，而4.2K20K則常用GGG、DAG進(jìn)行氦液化前級(jí)制冷。該溫區(qū)仍以GGG、DAG占主導(dǎo)地位，GGG在10K以下優(yōu)于DAG，10K以上反之。 2、磁制冷材料（1）低溫區(qū)磁制冷材料*4.2K以下常用GGG（2）中溫區(qū)磁制冷材料*集中研究了REAl2、RENi2型材料及一些重稀土元

6、素單晶多晶材料。（2）中溫區(qū)磁制冷材料（3）高溫區(qū)磁制冷材料*由于該溫區(qū)內(nèi)溫度高，晶格熵增大，順磁工質(zhì)已經(jīng)不適用了，需要用鐵磁工質(zhì)。重稀土及其合金重稀土元素具有很大的磁矩，所以重稀土及其合金都具有較大的磁熱效應(yīng)。Gd的居里溫度接近室溫，所以Gd及其合金受到很大的關(guān)注。Gd的磁熱效應(yīng)與溫度有關(guān)，MCE的峰值在居里溫度附近。 （3）高溫區(qū)磁制冷材料重稀土及其合金較大的磁熱效應(yīng)。Gd的稀土過(guò)渡金屬化合物77-300K溫區(qū)最突出的是Gd5Si4-xGex（見(jiàn)上頁(yè)圖）。這系列材料的MCE的峰值是訖今為止發(fā)現(xiàn)的材料中較大的一種。缺點(diǎn)：溫區(qū)窄(熱量變化與MCE的面積成比例)；磁熵變與原料純度關(guān)系密切，難用工

7、業(yè)純?cè)现瞥删薮澎刈兊暮辖鸩牧?。稀土過(guò)渡金屬化合物過(guò)渡金屬及其化合物最有代表性的過(guò)渡金屬Fe、Co、Ni都有較高的MCE值，但由于居里溫度太高，不能實(shí)用。Fe51Rh49合金是很理想的磁制冷工質(zhì)：(1)具有很顯著的MCE，居里溫度為308K；(2)較寬的溫區(qū)都保持較高的磁熵變；(3)工作磁場(chǎng)是中等磁場(chǎng)(12T)。缺點(diǎn)：該磁熱效應(yīng)為不可逆，經(jīng)過(guò)循環(huán)后，MCE效應(yīng)下降，從而難以實(shí)用化。過(guò)渡金屬及其化合物Fe51Rh49合金是很理想的磁制冷工質(zhì)鈣鈦礦氧化物*與金屬及合金工質(zhì)材料相比，鈣鐵礦化合物具有化學(xué)穩(wěn)定性高，電阻率高，渦流效應(yīng)小，價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)，其磁熵變大于金屬Gd的結(jié)果，但低于GdSiGe系列材

8、料。*復(fù)合工質(zhì)：在高溫區(qū)磁制冷工質(zhì)的磁熵變?cè)诰永稂c(diǎn)附近出現(xiàn)一個(gè)峰值，而埃里克森循環(huán)要求在一個(gè)較寬的工作溫區(qū)內(nèi)工質(zhì)的磁熵變都大致相等。解決方法：把幾種居里點(diǎn)不同的磁制冷材料按一定的比例復(fù)合成復(fù)合工質(zhì)，從而使復(fù)合工質(zhì)在一個(gè)較寬溫區(qū)內(nèi)磁熵變大致相等。鈣鈦礦氧化物*復(fù)合工質(zhì)：在高溫區(qū)磁制冷工質(zhì)的磁熵變?cè)诰永稂c(diǎn)（4）納米磁制冷材料與塊材相比，納米磁制冷材料晶界增加，飽和磁化強(qiáng)度減小，從而磁熵變減少；納米材料的磁熵變峰值降低，曲線變得更加平坦，使其高熵變溫區(qū)寬化，更適合于磁制冷循環(huán)的需要；材料的納米化使其熱容量增加。*納米磁制冷材料中較為典型的有Gd3Ga5O12納米合金、GdSiGe系合金、Gd二元合金

9、和鈣鈦礦氧化物等。（4）納米磁制冷材料7.3 磁制冷應(yīng)用與面臨的問(wèn)題1、磁制冷應(yīng)用（1）極低溫及液化氦等小規(guī)模的制冷（2）空間和核技術(shù)等國(guó)防領(lǐng)域（3）民用領(lǐng)域7.3 磁制冷應(yīng)用與面臨的問(wèn)題1、磁制冷應(yīng)用（1）磁制冷材料的磁熱效應(yīng)不夠大*在室溫范圍內(nèi)目前可以應(yīng)用的磁制冷材料主要是釓、釓硅鍺合金以及類鈣鈦礦物質(zhì)。缺點(diǎn)：應(yīng)用的溫度區(qū)域很窄（溫度偏離TC時(shí)，MCE急劇減?。环逯档慕^對(duì)大小也還不能令人滿意，且只有在很高的磁場(chǎng)（57T）下才能產(chǎn)生明顯的效果；釓和釓硅鍺合金的價(jià)格比較昂貴，甚至還存在氧化等問(wèn)題。2、需要解決的問(wèn)題（2）磁場(chǎng)強(qiáng)度不夠大*磁場(chǎng)的產(chǎn)生可由超導(dǎo)磁體、電磁鐵以及永磁體提供。（1）磁制冷材料的磁熱效應(yīng)不夠大2、需要解決的問(wèn)題（2）磁場(chǎng)（3）蓄冷技術(shù)以及換熱技術(shù)的改進(jìn)*要使得磁性工質(zhì)產(chǎn)生的熱量可以盡可能快地帶走，就要提高蓄冷器內(nèi)的換熱和外部換熱器的換熱性能。（4）設(shè)計(jì)