根据磁制冷材料磁性来源的不同,可以将制冷材料分为:
1。 钙钛矿类的材料;
2。 过渡族的金属材料,这类合金的磁性主要来源于3d过渡族金属巡游电子;
3。 La系稀土磁制冷材料,这类合金的磁性主要来源于稀土4f电子层的局域电子;
4。 La系和过渡族的金属材料混合形成的合金材料,例如YFe2,TbFe2,DyCo2,HoCo2,ErCo2,TbNi2等。
此外,还可以根据磁制冷过程中励磁和退磁相变性质的不同,将磁制冷材料分为一级相变材料和二级相变材料。其中二级相变的磁制冷材料的磁热效应不是很高,主要包括R2Fe17等;而一级相变的磁制冷材料具有较高的磁热效应,主要包括金属键化合物,比如GdSiGe系,LaFeSi系,MnFePAs系及钙钛矿等。下面对室温磁制冷材料的研究进展做一简要介绍。
1。 钙钛矿类材料
这类材料的磁热效应约为稀土金属钆的1。5-2倍,且具有成本低、化学稳定性高、电阻高等优点;但是磁相变温度偏低,在室温条件下,磁相变较磁熵变温度大幅下降,而且这类化合物的密度和热导率极低,不利于热交换。
2。 NiMnGa合金
在外磁场力的作用下,这种合金会产生磁化强度的跳跃,从而获得巨磁热效应。这种合金不包含稀土元素,可以通过改变元素的含量方式,在比较宽的温度范围内调节马氏体 — 奥氏体的磁相变温度。磁熵变主要通过Ni,Ga原子的巡游电子来实现,故磁交换作用强弱由Ni原子和Ga原子的电子结构决定。在4K—626K的范围内,可以通过对Ni2+xMn1-xGa中化学成分的改变,进而使化合物的磁热性能表现出不同的特性。磁熵变的最大值所对应的温度几乎等于耦合的磁相变与结构变化的温度。
3。 La(Fe,Co)13-xMx(M=Si,Al)系合金
我国中科院物理研究所沈保根等人在2000年对La(Fe,M)13化合物进行了深入研究。研究发现La(Fe1-xSix)13这种化合物在一定条件下能获得较大的磁熵变,这种材料的磁相变温度较低,在200K左右,通过Co对Fe的微量代替,可以将磁相变温度调整到室温附近,保持较大的磁熵变。经过检测,性能最好的是LaFe11。2Co0。7Si1。1这种化合物,磁相变温度达到274K,接近室温。不过这种合金的制备成本比较高,而且该合金的磁热效应在外加磁场较高时才能激发出来,这影响了其在磁制冷技术中的运用。
4。 钆(Gd)
在室温附近,钆是所有重稀土金属元素中磁热性能最好的,图1是钆在不同温度下的等温磁熵变和绝热温变。
5。 R2Fe17合金
对于Er2Fe17-xMex稀土-过渡族金属化合物的研究发现,其中Er2Fe15。126Me1。174具有较好的效果,当外加磁场变化2T时,其绝热温变为4。51 K,与纯金属钆的绝热温变相接近。
在室温磁制冷材料的运用和研究中,符合我们所需求的是在低磁场下具有高磁热效应的磁工质材料,如果所要研究的这种磁制冷材料产生磁热效应的所需要的外加磁场越低,则这种技术的推广也就会越快。因此,室温磁制冷材料的工质需要具备以下要求:
1。 具有大的总角动量量子数J和朗德因子数g(二者均与磁热效应有关)的铁磁性材料;
2。 磁相变温度(居里点)在室温温度附近;