一级相变磁热效应材料磁制冷能力和效果的研究

Currently, the room temperature giant magnetocaloric materials which have been found so far are all first order magnetic phase transition materials. The calculation method of calculating the isothermal magnetic entropy change is still a disoloved proplem, because the isothermal entropy change is obtained from M-H curves by Maxwell eqution. The matereials of study in the proposed research are spherical particles and irregular particles(with the same diameter) of the first order phase transition materials La(FeSi)13HX, Gd5Si2Ge2, MnFeP(SiGe) and the second order phase transition materials Gd, La(FeCoSi)13BX. Endotherm, exothermthe and relaxation time of the particles will be measured directly by an improved magnetocaloric effect measurement apparatus upon the cycling of external magnetic fields. All the samples will be tested on magnetic refrigerator. The largest refrigeration temperature difference, the largest refrigeration power and influence of magnetic phase transiton point and environment temperature will be measured and studied. The results will be compared with their isothermal entropy change and adiabatic temperature change,respectively. Then we further explore the influence of magnetic hysteresis and thermal hysteresis on magnetic refrigeration effect. We will determine if the first order phase transition materials have giant magnetic entropy change, and determine the real cooling capacity and cooling effect.

目前具有巨磁热效应的室温磁制冷材料均为一级磁相变材料。由于一级相变材料的等温磁熵变是通过测量M-H曲线并经过Maxwell关系式计算得到的，其计算方法一直有很大的争议。本项目采用一级相变材料La(FeSi)13HX、Gd5Si2Ge2、 MnFeP(SiGe)及二级相变材料金属Gd和La(FeCoSi)13BX的球形颗粒或不规则颗粒（颗粒直径相同）作为研究对象，在经过改进的自制磁热效应直接测量仪上测量样品在磁场内外的吸、放热量和弛豫时间，测量研究一级与二级相变材料在磁制冷的每次循环制冷所吸收和释放的热量；在室温磁制冷机上进行磁制冷实验，测量研究最大制冷温差、最大制冷功率及磁相变点与环境温度对制冷温差、制冷效果的影响等，并分别与它们的熵变与温变进行对比，进一步研究磁滞和热滞对一级相变材料制冷效果的影响等，确定一级磁相变材料是否有巨大的磁熵变，确定一级相变磁热效应材料的实际制冷能力和制冷效果。

国家自然科学基金“一级相变磁热效应材料磁制冷能力和效果的研究”由包头稀土研究院承担，项目起止年限2012年1月1日至2016年12月31日，专项经费52万元。.项目按照计划与目标完成了合同。项目研究了金属Gd及其合金、La(FeSi)13HX、La(FeCoSi)13BX、Gd5Si2Ge2合金制备及磁工质制备技术，采用XRD、扫描电镜和能谱分析等确定样品的物相结构、相组成、微观形貌等；设计新型的磁热效应直接测量仪，对一级相变材料（La(FeSi)13HX、MnFePAs 及Gd5Si2Ge2）和二级相变材料(金属Gd、La(FeCoSi)13BX)的绝热温变和吸/放热弛豫时间进行了测量；设计研发了新型室温磁制冷一体机，测量磁工质的制冷能力，并进行对比；通过物理分析及性能测试结果，优化并确定了磁制冷材料及磁工质的制备工艺；通过磁工质制冷能力测试，采用多个磁相变点磁工质串接方式比单一磁工质制冷效果好，二级相变材料Gd及其合金的综合制冷能力最大。 . 项目专项经费52万元，按照预算进行了资金安排，资金使用合理，专款专项。. 包头稀土研究院共有20名科研人员投入研发，包括13名在职科研人员、1名博士后、1名博士研究生及5名硕士研究生。项目实施过程中培养年轻科研人员7名，其中2名晋升为高级职称，5晋升为中级职称，3名攻读硕士并毕业；培养博士后1名（已出站），博士研究生1名（已毕业），硕士研究生5名（已毕业4名）。. 项目执行中,我方发表论文13篇，其中7篇SCI，4篇EI。获得发明专利3项，实用新型2项，申报发明专利一项已经受理并公开。. 在2013年-2016年，项目组提供的产品有室温磁制冷材料及磁工质、磁场系统、磁热效应测量仪、室温磁制冷机以及技术服务等，新增产值一千多万。