宁波材料所在非晶合金复合材料的磁热性能方面取得进展
日期:2021-10-12, 查看:365

       磁制冷相比于传统的气体压缩制冷具有制冷效率高、噪音低、体积小、绿色环保无污染等优点,作为传统制冷技术的潜在替代产品,受到世界各国科技界的关注。磁制冷领域的一个关键课题就是开发高性能的新型磁制冷材料。非晶合金具有无序的原子结构和亚稳特性,因此作为磁制冷材料相比于晶体材料具有制冷温区宽、力学性能和耐腐蚀性能优异等优点,在磁制冷领域具有广阔的应用前景。
       中国科学院宁波材料技术与工程研究所非晶合金磁电功能特性研究团队长期致力于新型非晶磁制冷材料的开发及其微观机制研究,并取得了一系列研究成果。通过在非晶合金引入结构混合熵,开发了一系列具有优异磁热性能的高熵非晶合金。其最大磁熵变值可以达到15.0 J/kg/K,并且高熵非晶合金的自旋玻璃的磁转变行为和复杂的成分结构致使其具有更宽的磁转变区间(116 K),进而获得巨大的磁制冷能力(691 J/kg)【Intermetallics 2015 (58) 31-35;J. Appl. Phys. 2015 (117) 073902; J. Alloys Compd. 2019 (776) 202-206】。该团队进一步利用熔体抽拉装备将高熵非晶合金加工成实际应用所需的、具有高比表面积和换热效率的微米丝材【Intermetallics 2018 (96) 79-83】。另外,通过优化合金成分和微观结构,开发了一系列在室温附近具有优异磁热性能的非晶合金,并详细研究了成分、微结构和磁结构对磁热性能的影响【Metals 2021 (11) 950;J. Alloys Compd. 2020 (845) 156191;J. Alloys Compd. 2016 (684) 29-33;J Non-Crystl. Solids 2015 (425) 114-117;J. Magn. Magn. Mater. 2018 (446) 162-165;J. Magn. Magn. Mater. 2019 (489) 165404;J. Magn. Magn. Mater. 2019 (475) 249-256】。
       最近,该团队利用熔体抽拉技术开发了一系列Gd基非晶纳米晶复合磁制冷材料。这种非晶复合磁制冷材料兼具了Gd基非晶合金和纳米晶的优点,通过优化合金成分、调控制备工艺,实现了对其纳米晶化相大小、数量和分布的调控,进而获得了优异的磁热性能。该复合材料在从70K到近室温都具有较大的磁熵变值,其磁制冷能力可以达到985 J/kg,明显优于现有的其它晶态和非晶磁制冷材料。
       该研究工作以题为“Giant refrigerant capacity in Gd-based amorphous/ nanocrystalline composite fibers”的论文发表在Materials Today Physics 21 (2021) 100528。本研究得到了国家重点研发计划项目(2018YFA0703602、 2018YFA0703604)、国家自然科学基金(51771217, 51827801, 51922102)和中国科学院青年创新促进会(2019296)等项目的支持。

Gd基非晶纳米晶复合磁制冷材料的微观结构及磁热性能

(霍军涛 研究员)