理论教育 如何利用稀土制造高效磁致冷材料?

如何利用稀土制造高效磁致冷材料?

时间:2023-05-22 理论教育 版权反馈
【摘要】:磁致冷材料是用于磁致冷系统的具有磁热效应的物质。磁致冷材料是磁制冷机的核心部分,即一般称谓的制冷剂或制冷工质。磁致冷材料基本上都是以稀土金属为主要组元的材料或化合物,尤其是室温磁致冷几乎全部采用稀土金属钆或钆基材料。用磁致冷材料代替传统制冷剂,不仅可以减少环境污染,还可以节约电能,且致冷材料可以重复使用。

如何利用稀土制造高效磁致冷材料?

磁致冷材料是用于磁致冷系统的具有磁热效应的物质。磁致冷首先是给材料加磁场,使磁矩按磁场方向整齐排列、磁熵变小,然后再撤去磁场,使磁矩的方向变得杂乱、磁熵变大,这时材料从周围吸收热量,通过热交换使周围环境的温度降低,从而达到致冷的目的。

磁致冷材料是磁制冷机的核心部分,即一般称谓的制冷剂或制冷工质。

磁致冷材料基本上都是以稀土金属为主要组元的材料或化合物,尤其是室温磁致冷几乎全部采用稀土金属钆(Gd)或钆基材料。这种材料有Gd3Ga5O12 GGG石榴石,GGG还可用作磁泡存储器晶体材料Dy∶Al5O12 DAG石榴石等。另外还有Dy2Ti2O7、GdOH3、Gd2PO33和DyPO4等其他材料。

由这些材料的构成来看,稀土成分大概占到材料总质量的30%左右(有的比30%还低一点),稀土在其中的作用非常大,但含量又相对少一些,所以称之为“配菜”。(www.daowen.com)

目前一种新型的磁致冷材料Gd5Si4Ge2已被开发出来,其优点是磁热效应大,且使用温度可以从30K(-243℃)左右调整到290K(17℃)。美国已成功开发出第一台室温磁致冷样机。用磁致冷材料代替传统制冷剂,不仅可以减少环境污染,还可以节约电能,且致冷材料可以重复使用。

也许有一天冰箱和空调机中也会采用磁致冷机。低温磁制冷装置具有小型化和高效率等独特优点,广泛应用于低温物理磁共振成像仪、粒子加速器、空间技术、远红外探测及微波接收等领域,某些特殊用途的电子系统在低温环境下,其可靠性和灵敏度能够显著提高。磁致冷是使用无害、无环境污染的稀土材料作为制冷工质,若取代目前使用氟利昂制冷剂的冷冻机、冰箱、冰柜及空调机等,可以消除由于生产和使用氟利昂类制冷剂所造成的环境污染和大气臭氧层的破坏,因而能保护人类的生存环境,具有显著的社会效益。

迄今为止,在这方面的有关研究开发中,发现磁致冷是制冷效率高、能量消耗低、无污染的制冷方法之一。从目前美国室温磁制冷技术的研究进展情况看,预计2015年以后,室温磁致冷技术有可能在汽车空调系统中得到实际应用之后,并将进一步开发家用空调和电冰箱等磁制冷装置。美国和日本在磁致冷材料、技术和装置的研究开发中居领先水平,这些发达国家都把磁致冷的技术研究开发列为重点攻关项目,并投入了大量资金、人力和物力,竞争极为激烈,都想抢占这一高新技术领域。

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