磁制冷材料簡介

磁制冷材料概述

磁制冷材料是利用材料的磁熱效應(yīng)而開發(fā)的一類軟磁材料，它可以用于磁制冷機中達到制冷或制熱的目的。室溫磁制冷材料是指用于室溫區(qū)間的磁制冷材料。這類材料的開發(fā)成功將會使室溫磁制冷機的應(yīng)用起到關(guān)鍵的作用。因此，開發(fā)新型、廉價和高效的室溫磁制冷材料是室溫磁制冷機實用化以致商業(yè)化的關(guān)鍵。

磁制冷材料原理

鐵磁性或亞鐵磁性材料及磁有序材料在磁場作用下，磁性物質(zhì)的磁矩將會沿磁場方向排列整齊，磁炳減小，而使磁性體的熱量釋放出來。若除去磁場，磁矩又將混亂排列磁嫡增人，將吸收周圍環(huán)境的熱能，使環(huán)境溫度一下降，如采用一種合適的循環(huán)，就司一以降低磁性體所處的環(huán)境溫度。

磁制冷材料磁制冷材料的評價

1、評價磁制冷材料時，不應(yīng)該僅僅著眼點在等溫磁熵變，還應(yīng)該比較絕熱溫變，尤其是在比較不同系統(tǒng)的材料時更應(yīng)該如此。

2、應(yīng)用于永磁體的磁制冷機中的磁制冷材料，單位體積磁熵變直接影響到磁制冷機的設(shè)計、成本和使用效率，在其他參數(shù)相近時，高密度的磁制冷材料有較大的優(yōu)勢。因此，判斷磁制冷材料的實用價值時，單位體積磁熵變是十分重要的參數(shù)。

3、相對制冷能力對判斷室溫磁制冷材料在磁制冷機中的冷卻能力具有參考作用，可以初步判斷磁制冷劑在機器中的制冷能力。

4、判斷新開發(fā)的室溫磁制冷材料的性質(zhì)高低，應(yīng)該與基準(zhǔn)材料--純金屬釓的單位體積等溫磁熵變，絕熱溫變和RCP進行比較，方可確定是否有實用價值。

磁制冷材料磁熱效應(yīng)熱力學(xué)解釋

磁熱效應(yīng)是磁性材料的一種固有特性，從熱力學(xué)上來講，它是通過外磁場使磁熵發(fā)生改變。當(dāng)施加外磁場時，磁性材料內(nèi)磁矩趨向于磁場方向，此時導(dǎo)致材料磁熵降低并放出熱量。反之，當(dāng)去除外磁場時，磁性材料內(nèi)磁矩的取向是無規(guī)則的，相應(yīng)的材料磁熵升高并吸收熱量。

磁制冷材料磁制冷技術(shù)優(yōu)點

與傳統(tǒng)制冷技術(shù)相比，磁制冷技術(shù)具有高效節(jié)能、無污染、運行穩(wěn)定可靠、壽命長等優(yōu)點，因此，磁制冷技術(shù)被譽為是一種綠色制冷技術(shù)，如今越來越受到廣泛的重視。該技術(shù)是利用磁性材料的磁熱效應(yīng)而達到制冷目的的。磁熱效應(yīng)( MCE)又稱磁卡效應(yīng)，指磁制冷材料等溫磁化時向外界放出熱量，而絕熱磁化時升溫的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象在居里溫度附近最顯著。 2100433B

絕熱去磁制冷(a).

外加磁場強度的降低，材料中分子運動，使得原來磁熱材料內(nèi)部的各個區(qū)域（磁疇）重新失去方向。如果材料被孤立開來，例如絕熱過程，磁疇將吸收熱能已重新排布，結(jié)果使其溫度下降。如圖3所示，釓合金在磁場內(nèi)部先被磁化加熱，然后把熱能散到環(huán)境中，此時它若離開磁場，則其溫度會比進入的時候更冷。

磁熱效應(yīng)最顯著的例子之一是化學(xué)元素釓及其一些合金。當(dāng)進入某一磁場時，釓的溫度會上升；當(dāng)它離開磁場。溫度下降釓合金的磁熱效應(yīng)更加強。鐠與鎳(PrNi5)合金的磁熱效應(yīng)最強，它使得科學(xué)家能夠達到離絕對零度只有千分之一的范圍內(nèi)。2001年，已可成功地研制出可在室溫下商業(yè)應(yīng)用化的材料和永久磁鐵，可用于制造可廣泛使用的磁熱制冷機。

絕熱去磁制冷(b).

圖4為順磁性鹽的熵一溫圖，先在T₁=1K時加入磁場進行等溫磁化(過程1-2)，然后絕熱去磁(過程2-3)，溫度便從T₁=1K下降到0.001-0.005K。一般在絕熱去磁過程中所用的順磁性鹽類主要有：鐵銨[NH4Fe(SO4)2·12H2O]、鉻鉀礬[KCr(SO4)2·12H2O]、硝酸飾鎂[Ce2Mg3(NO3)12·14H2O]等鹽類。

圖4是一個用絕熱去磁方法產(chǎn)生低溫的實驗裝置示意圖。其過程如下：

1．先將順磁性鹽用一根細絲懸掛在一個裝有低壓氣態(tài)氮的管子中，將管子上部的閥門關(guān)閉，再把管子放入裝有減壓液氦的杜瓦瓶內(nèi)，由于管子內(nèi)的低壓氮氣與減壓液氦進行充分熱交換，使順磁性鹽的溫度達到與減壓液氦的溫度1K左右相接近，見圖4(a)。

2.緩慢加入磁場，這時順磁性鹽產(chǎn)生的磁化熱．通過與氮氣進行熱交換后傳遞給液氦，順磁性鹽的溫度繼續(xù)保持在1 K左右，見圖4(b)。

3．打開閥門，抽去存放順磁性鹽管于內(nèi)的氮氣，并使其和周圍液氦隔熱，見圖22(c) 。

4．關(guān)閉閥門，去掉磁場，順磁場的溫度就下降。如順磁性鹽和適當(dāng)?shù)拇艌鰪姸?，可以獲得0.001-0.005K的極低溫度，絕熱去磁制冷方法主要用于原子能工業(yè)等科研部門。

磁致冷是一種基于磁熱效應(yīng)的制冷技術(shù)，這種技術(shù)既可以用來實現(xiàn)極低溫度（<1K），也可以在普通冰箱范圍使用。該磁熱效應(yīng)是磁熱力學(xué)現(xiàn)象，一個特殊材料的溫度可隨磁場強度而可逆變化，也被物理學(xué)家稱為絕熱去磁，因為他們應(yīng)用這種過程的目的是專門為了產(chǎn)生溫降。

任何一種金屬物質(zhì)在磁場中均會產(chǎn)生附加磁場，如果產(chǎn)生的附加磁場與原磁場的方向相同，則該物質(zhì)稱為順磁性物質(zhì)；反之，稱為抗磁性物質(zhì)，磁性制冷機中所采用的均是順磁性物質(zhì)。將順磁性鹽放在減壓液氦中(溫度在1K以下)，并加入磁場，進行等溫磁化，然后在絕熱條件下去掉磁場，由于絕熱去磁作用需吸收大量磁化熱，便產(chǎn)生致冷效應(yīng)(即溫度降低)，最低溫度可達0.001一0.005K。

熵是系統(tǒng)無序度的量度：無序度愈大，熵就愈高。在磁場中，磁矩部分地排列整齊(部分有序)，所以加磁場使熵降低。如果降低溫度，熵也會降低，因為這時有更多的磁矩排列整齊。

若在磁化以后，能夠保持自旋系統(tǒng)的熵不變而將磁場撤去，那么自旋系統(tǒng)的有序度所相應(yīng)的溫度看來比同樣的有序度在磁場存在時所相應(yīng)的溫度為低。當(dāng)樣品絕熱去磁時熵只可能從晶格振動系統(tǒng)流入自旋系統(tǒng)，如圖1所示。在感興趣的溫度下，晶格振動的熵通常小到可以忽略，因此在樣品絕熱去磁的過程中，自旋系統(tǒng)的熵基本上不改變。去磁致冷是單次操作的，不能循環(huán)進行。

首先求出N個離子系統(tǒng)的自旋熵表達式，每個離子的自旋為S，系統(tǒng)處在足夠高的溫度下，以致自旋排列完全無序。即假定T遠高于某個特征溫度△，△表征傾向于使自旋擇優(yōu)取向的相互作用能量(

當(dāng)磁場使這2S 1個態(tài)的能量分開時，如果在低能量狀態(tài)上的布居數(shù)(即粒子數(shù))增加，那么就意味著外加磁場使這一自旋熵減小。

致冷過程的程序步驟示于圖2。在溫度T₁之下加磁場，樣品與周圍環(huán)境保持良好的接觸，過程的這一步以等溫線ab表示，然后樣品絕熱(△

分布于一個磁致子能級( magnetic sublevel)上的粒子數(shù)僅僅是

其中B表示初始磁場，T₁代表初始溫度。