【《关于磁制冷的研究文献综述》2500字】

关于磁制冷的研究文献综述目录TOC\o"1-3"\h\u24423关于磁制冷的研究文献综述 1110081.1.1磁制冷技术简介 1233801.1.2磁制冷材料的发展历程 322381参考文献 4磁制冷技术简介磁制冷技术是一种基于材料磁热效应，具有高效、节能、环保等优势的制冷技术，其主要通过等温磁化和绝热退磁两个过程的交替进行来达到制冷降温的目的，基本原理为[REF_Ref17567\r\h55,REF_Ref17580\r\h56]：无外加磁场作用的情况下，磁性材料内部的磁矩处于无序分布，此时体系的磁熵最大；等温磁化过程中，由于引入了一定大小的外部磁场，无序分布的磁矩会趋向于有序排列，造成磁熵减小，磁制冷工质的温度升高，体系会向外界释放热量，导致外界温度随之升高；退磁过程中，受磁性微粒自身热运动或振动的影响，有序的磁矩将再次呈混乱无序分布的状态，磁熵增大，磁制冷工质的温度下降，体系会向外界吸收热量，导致外界温度随之降低。图1.6为磁制冷技术的工作原理图。图1.6磁制冷技术的工作原理图[REF_Ref25989\r\h57]磁制冷设备需要借助适当的热力循环，常见的磁制冷循环有以下三种[REF_Ref6152\r\h58-REF_Ref1980\r\h60]：(1)埃里克森(Ericsson)循环，由两个等磁场过程和两个等温过程构成，其工作温区大于20K，可以有效减轻因温度升高造成晶格熵增大而产生的不利影响，该循环是最常应用于中温区和高温区的制冷，具有“桌面型”磁熵变的磁热效应材料为该循环的最佳磁制冷工质，大多数现有的磁制冷设备使用该种循环方式；(2)卡诺(Carnot)循环，由两个绝热过程和两个等温过程构成，绝热过程中，系统的熵不变，与外界无热量交换，等温过程中，磁熵变化，与外界发生热交换，然而，当制冷温度大于20K时，晶格熵变大会产生热负荷，因此会降低制冷效率；(3)布雷顿(Brayton)循环，由两个绝热过程和两个等磁场过程构成，该循环的最佳磁工质也是具有“桌面型”磁熵变的磁热效应材料。图1.7常见的磁制冷循环示意图与传统的气体压缩制冷相比，磁制冷技术具备如下优点[REF_Ref6152\r\h58]：①绿色环保：由于是利用磁制冷工质的固态相变来达到制冷的目的，因此不会产生温室气体等有害气体，避免了臭氧层的破坏以及对环境产生影响；②节能高效：磁制冷技术的制冷效率是传统气体压缩制冷的5~6倍，可达到卡诺循环的30~60%，制冷效率较高，并可用于超低温制冷；③稳定可靠、易小型化：磁制冷工质来源广泛，易于加工，且固态制冷工质的熵密度远高于气体，因此制冷设备更加便携化、小型化；④无噪音：由于磁制冷不使用压缩机类机械部件，减少了震动以及带来的噪音污染。磁制冷材料的发展历程1881年，德国科学家Warburg偶然之下发现在对铁块施加磁场时，其温度会发生改变[REF_Ref21449\r\h61]，然而，由于当时人们对制冷技术的认识不足，因此这一现象并未引起过多的关注。1905年，Langevin[REF_Ref24405\r\h62]在对顺磁性物质的研究中发现随着外加磁场的改变，材料会发生吸热或放热的现象。Debye[REF_Ref29176\r\h63]和Giauque[REF_Ref29198\r\h64]解释了磁热效应的本质，并且提出利用顺磁盐所具有的磁热效应来获得超低温的设想，随后许多顺磁盐（例如Gd3Ga5O12、Dy3A15O12、GdLiF4及GdF3等）磁热效应材料问世。为了磁制冷技术在较高温度下的应用，研究者对其它温区的磁制冷材料进行了大量的探索，一些可用于20~77K温区内制冷的磁热效应材料相继被开发出来，例如重稀土元素的单晶及多晶材料、RAl2以及RCoAl(R=Tb,Dy,Ho,Er)等。1976年，Brown等人[REF_Ref121\r\h65]制备出以Gd为主要成分的室温磁制冷材料，其Tc为294K，在7T的磁场下可产生47K的温度差。1996年，Zimm等人[REF_Ref486\r\h66]发明的磁制冷样机在5T的磁场下可获得高达500~600W的制冷量，开创了磁制冷技术应用的新纪元。1997年，Pecharsky和Gschneidner[REF_Ref6139\r\h67,REF_Ref6146\r\h68]发现Gd5(SixGe1-x)4在其Tc附近可产生巨磁热效应，与Gd相比其等温磁熵变ΔSm高出近两倍，这一成果开启了巨磁热效应材料的研究热潮。随后Lu等人[REF_Ref27697\r\h69]在Gd-Si-Ge系合金中微添加Ga，使其Tc提升至298K，从而能够应用于室温磁制冷。Gd-Si-Ge系合金具有的巨磁热效应为室温磁制冷提供了广阔的应用前景，但其磁热性能的表现对Gd纯度有着较高的要求[REF_Ref2295\r\h70]；但是，Gd和Ge的价格昂贵，会增加磁制冷工质的成本，这些因素制约了其在实际生活中的应用。随后，研究者将目光转向了过渡族金属基磁制冷材料，Tegus等人[REF_Ref4458\r\h71]发现MnFeP0.45As0.55合金的Tc为305K，在2T的磁场下-ΔSmpeak可达14.5Jkg-1K-1，然而，As元素具有毒性，不符合磁制冷材料绿色、环保的要求。La(Fe,M)13(M=Si,Al)化合物是近年来研究较多的室温磁制冷材料，其中La(Fe,Si)13合金具有较大的磁热效应，然而其制冷温区较窄、化学稳定性较差，而且具有明显的热滞现象，因此制约了其在磁制冷领域的发展和应用[REF_Ref11814\r\h72]。除此之外，研究者发现Dy基、Ho基和Er基等稀土基非晶态合金虽然具有较大的-ΔSmpeak，但其较低的Tc使其无法应用于室温磁制冷，再加上所得工质的制冷温跨较小等缺陷，从而制约了其在磁制冷领域的应用[REF_Ref4772\r\h73]。近年来，越来越多的科研工作者将研究的重点转向以Fe、Co、Ni元素为主的过渡族金属基非晶态磁制冷材料[REF_Ref4873\r\h74REF_Ref4886\r\h-76]，其中，Fe基非晶态磁热材料由于具有成本低、磁滞和热滞极小、制冷温跨较宽以及Tc可调至室温附近等优点，引起了研究者的广泛关注。Fang等人[REF_Ref10114\r\h77]发现在Fe90Zr10中随着B取代Fe的量的增多，Tc逐渐升高，在1T的磁场下Fe80Zr10B10的-ΔSmpeak可达1.47JK-1kg-1。Franco等人[REF_Ref13558\r\h78]通过分析大量Fe基磁制冷材料的磁热性能数据，指出其磁熵变与合金的平均磁矩呈线性相关，为后续Fe基非晶态磁制冷材料的研究指明了方向。参考文献郭贻诚,王震西.非晶态物理学[M].北京:科学出版社,1984,1.惠希东,陈国良.块体非晶合金[M].北京:化学工业出版社,2007.J.Kramer.Producedthefirstamorphousmetalsthroughvapordeposition[J].Annln.Phys,1998,19:1934-1937.A.Brenner,D.E.Couch,E.K.Williams.Electrodepositionofalloysofphosphoruswithnickelorcobalt[J].JournalofResearchoftheNationalBureauofStandards,1950,44(1):109-112.D.Turnbull,M.H.Cohen.ConcerningReconstructiveTransformationandFormationofGlass[J].JournalofChemicalPhysics,1958,29(5):1049-1054.W.Klement,R.Willens,P.Duwez.Non-crystallinestructureinsolidifiedgold-siliconalloys[J].Nature,1960,187:869-870.H.S.Chen,C.E.Miller.Arapidquenchingtechniqueforthepreparationofthinuniformfilmsofamorphoussolids[J].ReviewofScientificInstruments,1970,41(8):1237-1238.H.W.Kui,A.L.Greer,D.Turnbull.Formationofbulkmetallicglassbyfluxing[J].AppliedPhysicsLetters,1984,45(6):615-616.A.Inoue,T.Zhang,T.Masumoto.Al-La-Niamorphousalloyswithawidesupercooledliquidregion[J].MaterTransJIM,1989,30:965-972.A.Peker,W.L.Johnson.Time-temperature-transformationdiagramofahighlyprocessablemetallicglass[J].MaterialsScience&EngineeringA,1994,179-180:173-175.A.Inoue,N.Nishiyama,T.Matsuda.PreparationofbulkglassyPd40Ni10Cu30P20alloyof40mmdiameterbywater-quenching[J].MaterialsTransactions,JIM.1996,37:18-184.W.L.Johnson.Bulkglass-formingmetallicalloys:Scienceandtechnology[J].MRSbulletin,1999,24(10):42-56.A.Inoue,B.L.Shen,H.Koshiba,H.Kato,A.R.Yavari.Ultra-highstrengthabove5000MpaandsoftmagneticpropertiesofCo-Fe-Ta-Bbulkglassyalloys[J].ActaMaterialia,2004,52:1631-1637.Y.H.Liu,G.Wang,R.J.Wang,etal.SuperPlasticBulkMetallicGlassesatRoomTemperature[J].Science,2007,315(5817):1385-1388.Y.L.Wang,J.Xu,etal.Ti(Zr)-Cu-Nibulkmetallicglasseswithoptimalglass-formingabilityandtheircompressiveproperties[J].MetallurgicalandMaterialsTransactionsA,2008,39(12):2990-2997.Y.K.Fang,C.H.Lai,C.C.Hsieh,etal.ThermalstabilityandmagnetocaloriceffectoftheGd65Ni20Al15-xBx(x=0-7)glassyribbons[J].JournalofAppliedPhysics,2010,107(9):9011-9013.H.Y.Zhang,R.Li,T.Xu,etal.Nearroom-temperaturemagnetocaloriceffectinFeMnPBCmetallicglasseswithtunableCurietemperature[J].JournalofMagnetismandMagneticMaterials,2013,347:131-135.L.Xia,M.B.Tang,K.C.Chan,etal.Largemagneticentropychangeandadiabati