磁致冷材料课件.pptVIP

3.4 磁致冷材料 磁致冷是指以磁性材料为介质的一种全新的制冷技术。 3.4 磁致冷材料 磁致冷材料的发展 1976年，美国的G.V.Brown,用金属Gd(钆)作磁致冷工质，获得了从室温到248K的低温，其△T为47K(相当于22~一25℃)。这是室温磁致冷技术的开端。 随后，实验表明用稀土金属Gd(居里点为293K)作室温磁致冷材料是成功的。所以稀土金属Gd作磁致冷工质，把磁致冷技术从液氦低温引向室温附近，这在磁致冷技术发展中具有划时代的意义。由此，很自然地把磁致冷工质的研究重点，引向室温磁致冷材料方面来。 目前第五台磁制冷样机已经由包头稀土研究院制出。 3.4 磁致冷材料 （1）磁致热效应 铁磁体受磁场作用后，在绝热情况下，发生温度上升或下降的现象，称磁致热效应。 （2）磁熵 磁致热效应是熵变化的结果，它是与温度，磁场等因素有关的物理量。磁熵变 3.4 磁致冷材料 3.4 磁致冷材料 磁致冷材料的选择依据： （1）磁致冷宜选用具有一定自发磁化强度的铁磁材料做工质。 （2）为了减小负荷，应使选用的工质具有较大的德拜温度Dθ 。 （3）为了获得足够大的 ，选用 J 、g因子较大即磁矩较大的磁性材料。 （4）由于 在T=Tc处取得极大值，要求所选磁性材料的居里点应处于所要求的致冷温度范围内，例如，对于近室温磁致冷工质的居里点应为300K左右。 3.4 磁致冷材料 磁致冷材料的选择依据： （5）热导率的大小，直接影响磁性工质内部和高温热源之间的热交换时间。热导率是决定磁致冷机运行速度及其致冷能力的一个重要因素。 （6）各向异性的磁性物质，在特定的晶格方向上的g数值较大，在较小磁场的情况下，有可能在广泛的温度区域获得大的磁熵变化。 （7）如果工质在某一温度熵变很大，那么这种工质，特别是发生一级相变的材料，具有大的磁热效应。 （8）良好的成型加工性能。 3.4 磁致冷材料 根据应用温度，磁致冷材料可分为三个温区使用 （1）极低温度温区（20K以下）；（2）低温温区（20~77K）；（3）高温温区（77K以上） 3.4 磁致冷材料 22K以下温区的磁致冷材料： 这个温区多为顺磁材料，以GGG和DAG为主导。GGG（Gd3Ga5O12）适用于15K以下，特别10以下。 DAG（Dy3Al5O12）用于10K以上，特别是15K以上。常用GGG和DAG进行氦液化前级制冷。 20~77K温区的磁致冷材料： 20~77K是液化氢，液化氮的重要温区；以RAl2，RNu2（R=稀土元素）为代表。另外zimm等人研制了一种（Gd1-xErx）Al2复合材料l9]，该材料磁矩大，居里温度宽 (l4K~164K)。 3.4 磁致冷材料 77K以上特别是室温区 在该温区研究的主要稀土磁致冷材料有Gd及其化合物、La基化合物和其它一些重稀土元素及其化合物，其中最具代表性的材料为Gd、GdsiGe(Sn)合金、LaFe，M)13，(M=Si，Co，Al)及La系钙钛矿化合物。 斓系稀土金属Gd由于具有大的原子磁矩，是研究较多的一种室温磁致冷材料， 293K附近发生顺磁-铁磁二级相变，在室温附近具有比较明显的磁热效应，ST外场变化下最大磁嫡变和最大绝热温变分别为10J/（kg.K）、12K，通常被作为新型室温磁致冷材料性能对比的参照物。 金属Gd还具有良好的可加工性能，是目前在室温磁制冷机中应用最多的材料。 3.4 磁致冷材料 室温磁致冷材料 （1）Gd-Si-Ge 磁致冷材料 Gd 的晶体结构是密排六方。它的电子结构是在未满壳层 4f 轨道上有 7 个不成对电子, 是整个稀土族元素中不成对电子数最多的元素, 总角动量量子数为 7/2, 因此具有较大的磁矩。 在整个稀土族元素中, Gd 是唯一在室温附近磁有序的元素。它的居里温度根据纯度不同在 294K 附近上下波动。在相变点处, 温度和外加磁场可诱导材料发生铁磁- 顺磁的二级相变。 实验证明该金属在室温附近具有较大的磁热效应。 3.4 磁致冷材料 Gd5(SixGe1- x)4合金 将 Gd 与半导体元素化合得到 Gd5(SixGe1- x)4合金, 其合金的晶体结构与化学成分分密切相关。Gd-Si-Ge 材料的磁热效应紧紧依赖于其晶体结构。 Gd-Si-Ge系合金的巨磁热效应机理是在该系合金中存在两个相转变点, 在较高温度为顺磁- 铁磁性转变, 称为第二有序相转变, 在较低温度发生铁磁性- 铁磁性(亚铁磁性)相转变。称为第一有序相转变。 合金成分在0≤x≤0.24, 第一相变是铁磁性- 亚铁磁性相转变, 在 0.24≤x≤0.5, 第一相变是铁磁性-