新型低温区稀土基磁热效应材料的研究

The study on rare earth-based MCE (Magnetocaloric effect) compounds applied in low temperature range is the hot area of magnetic materials for the broad application prospects such as national defense security and Technology and Scientific research platform construction. However, the integrated performance is still not good enough and it is necessary to optimize preparation process and explore new MCE materials. And the mechanism of magnetic entropy change in the process of order-order magnetic transitions is not clear, which also need to be studied further. The R-M (R-Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Pr, Nd; M-Ga, Al, In, Ge) compounds will be studied in this project and the following subjects will be carried out mainly: 1. Fabricate MCE materials with high performance by tuning magnetic transitions purposely and optimizing design scheme, improve and give all considerations to magnetic entropy change, refrigerant temperature zone and cooling capacity. 2. Systematically study the mechanism of order-order magnetic transition by using neutron powder diffraction, magnetic measurement and heat capacity measurement, illuminate the change of magnetic structure in the process of magnetic transition, and lay the material and physical foundation for exploring and designing high-performance magnetic functional materials in the future.

适用于低温区范围的稀土基磁热效应材料因在国防安全建设和科研装备研发中具有广阔的应用前景，因而成为磁性材料中研究的热点。目前，这类材料的综合性能还不够完善，需要通过材料设计进一步优化性能或探索新型磁热效应材料；同时各种有序-有序磁相变过程中磁熵变的物理机制尚不清楚，需要深入研究。本项目以稀土基R-M（R-Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Pr, Nd; M-Ga, Al, In, Ge）化合物为研究对象，利用定向调节磁相变的方法并改进材料设计方案来制备高性能磁热效应材料，并且平衡优化材料的磁熵变、制冷温区及制冷能力等性能；综合利用中子散射技术、磁电测量、比热等实验手段，对各种有序-有序相变的物理机制进行系统性的研究，阐明磁相变过程中的磁结构变化行为，为未来探索、设计高性能新型磁性功能材料奠定材料和物理基础。

制冷在生活、生产中具有非常广泛的应用，总体来讲，分为室温区制冷和低温区制冷。传统的室温区制冷技术因在环境、能耗等方面存在问题，人们逐渐开始寻找新的替代性技术。基于磁热效应的磁制冷技术经过几十年的研究和发展，已经取得了巨大进展，并在未来的应用中被寄予厚望。在低温制冷领域同样面临一些问题，比如常用的低温资源液氮、液氦的制备和储存，未来清洁能源氢能的液化和储存以及航空航天中的助燃剂液氧的液化和储存等，这些需求都需要发展新型制冷技术来匹配。在前期的探索中已经证明，磁制冷技术有望解决上述难题。.低温磁制冷领域的核心课题之一是低温磁制冷材料的研发。稀土基化合物因具有大的饱和磁矩和低的相变温度，因而可用于低温区磁制冷。本项目以稀土基R-M（R-Gd, Ho, Er, Pr, Nd; M-Ga, Ni, Co, Cu）化合物为研究对象，利用定向调节磁相变的方法并改进材料设计方案来制备高性能磁热效应材料，并且平衡优化材料的磁熵变、制冷温区及制冷能力等性能；综合利用中子散射技术、磁电测量、比热等实验手段，对各种有序-有序相变的物理机制进行系统性的研究，阐明磁相变过程中的磁结构变化行为。通过本项目的实施，研究发现了以NdGa、HoCo3B2化合物为代表的基于多重磁耦合作用的宽温区磁制冷材料，也设计和研发了以Er12-xHoxCo7、Er1-xHoxNi为代表的大磁熵变磁制冷材料，还发现了具有大的反常磁热效应的RCu2系列磁制冷材料，并且系统研究了PrGa化合物平台状磁熵变构型的物理机理和大的负磁电阻的物理机制。其中，所研发的Er0.9Ho0.1Ni材料在0-5T磁场变化下的磁熵变峰值高达34 J/kgK，绝热温变峰值高达8.9 K，上述参数与母体材料相比分别提高了14.9%和21.9%，该材料的性能已经达到国际领先水平。该项目的实施为未来探索、设计高性能新型磁性功能材料奠定了重要的材料和物理基础。