1.1 发展历史

磁制冷技术的实现最早起源于1976年美国航空航天局的G. V. Brown基于磁热效应设计并成功于实验室中运行了世界上第一台室温磁制冷原理机。虽然这台机器的制冷效果已经非常明显，但是由于机器运作原理和结构上存在一些不足之处，导致制冷量不易被获取，最终没有成为实用型的磁制冷设备而被推广[1]。在G. V. Brown设计的磁制冷机的基础上，A Barclay和W. A. Steyert在1982年提出的主动式磁蓄冷器（AMR）的设计方案。与G. V. Brown的设计相比，这一次他们采用了主动式磁蓄冷器，一方面消除了晶格熵对制冷循环的影响，另一方面也拉大了整个制冷循环的高低温温差，但机械结构的设计困境依然使之无法成为室温磁制冷机或者磁空调器[2]-[3]。在此之后，美国威斯康星州麦迪逊宇航公司与Ames实验室合作制成实验室原理机问世，实现了磁空调器研究的重大突破，该原理机在5T外磁场中的制冷效率可以达到相应可逆卡诺循环的60%。目前，研究者们正不断的寻找更加合适的磁工质和改进机器结构设计，不断推进着室温和低温两种磁制冷机广泛代替传统制冷设备的脚步。文献综述

1.2 磁热效应

1.2.1研究历史

作为磁制冷技术的理论基础，磁热效应是指磁制冷材料（即磁工质）在进行等温磁化时向周围环境放出热量，而退磁时从环境中吸收热量，最终导致环境介质温度降低的现象。它在1881年由Warburg在实验室中首次发现，他观察到了金属铁在外加磁场中的温度变化现象[4]。紧接着，1907年P.Langevin发现并展示出顺磁体绝热去磁过程中其温度会降低[5]。1917年法国物理学家P. Weiss和瑞士物理学家A.Piccard在实验室中发现了金属Ni的磁热效应。而磁热效应的基本原理和内容，是由Peter Debye和 诺贝尔化学奖得主William F. Giauque分别在1926和1927年从理论上推导并确定的，并认为磁热效应可被应用于制冷技术[6]，这成为了磁制冷技术发展的开端。带着这个目的，Giauque和他的同事 D. P. MacDougall于1933年通过实验，以顺磁盐Gd2(SO4)3.8H2O作为介质进行了第一次绝热退磁实验，成功获得了0.53～0.1K的超低温[7]。自此直到1997年，磁制冷的研究发展地十分迅速，尤其是在极低温区和低温区对顺磁体磁制冷材料的研究，主要用于液氦、超氦和液氢的冷却。1976年，室温磁制冷由美国NASA的Lewis和G.V.Brown首次实现，他们选择金属Gd作为磁工质，通过Stiring循环，在7T的磁场强度下进行试验并获得了成功，这极大地刺激了高温区磁制冷研究的发展，尤其是寻找高温区磁制冷材料。

1.2.2 理论原理

磁热效应发生时，磁性材料自身的温度变化可以由绝热温变表示：

公式中， 是绝热温变，T是环境温度，H是外加磁场强度，C是磁性材料热容，M是磁性材料的磁化率。

此外，还有一个衡量磁热效应强度的物理量是等温磁熵变：来*自-优=尔,论:文+网www.youerw.com

公式中 是等温磁熵变，T是环境温度，H是外加磁场强度，M是磁性材料的磁化率。

从热力学观点来分析，磁热效应可以解释为通过外加磁场来改变磁熵。磁性物质晶体由原子或磁性离子组成，因此内部会产生磁矩，这些磁矩在没有受到外加磁场干扰时是随机排列的，即处于无序状态，这时它拥有一个较大的磁熵。若对磁性物质施加一个外部磁场，将其磁化后，磁矩将会顺着磁场方向进行有序排列，即有序度增加。在等温条件下，这个过程将会导致磁性材料的熵降低，同时向周围环境释放热量。此时将外部磁场减弱或撤销，将其退磁后，磁性材料内部磁矩由于原子或磁性离子的热运动会恢复至原来的无序状态，同样在等温条件下，磁体熵增加必然导致它将从外界吸收热量，周围环境温度下降，达到制冷效果。