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寧波材料所在非晶合金復合材料的磁熱性能方面取得進展
作者:,日期:2021-10-15

  磁制冷相比于傳統的氣體壓縮制冷具有制冷效率高、噪音低、體積小、綠色環保無污染等優點,作為傳統制冷技術的潛在替代產品,受到世界各國科技界的關注。磁制冷領域的一個關鍵課題就是開發高性能的新型磁制冷材料。非晶合金具有無序的原子結構和亞穩特性,因此作為磁制冷材料相比于晶體材料具有制冷溫區寬、力學性能和耐腐蝕性能優異等優點,在磁制冷領域具有廣闊的應用前景。

  中國科學院寧波材料技術與工程研究所非晶合金磁電功能特性研究團隊長期致力于新型非晶磁制冷材料的開發及其微觀機制研究,并取得了一系列研究成果。通過在非晶合金引入結構混合熵,開發了一系列具有優異磁熱性能的高熵非晶合金。其最大磁熵變值可以達到15.0 J/kg/K,并且高熵非晶合金的自旋玻璃的磁轉變行為和復雜的成分結構致使其具有更寬的磁轉變區間(116 K),進而獲得巨大的磁制冷能力(691 J/kg)【Intermetallics 2015 (58) 31-35;J. Appl. Phys. 2015 (117) 073902; J. Alloys Compd. 2019 (776) 202-206】。該團隊進一步利用熔體抽拉裝備將高熵非晶合金加工成實際應用所需的、具有高比表面積和換熱效率的微米絲材【Intermetallics 2018 (96) 79-83】。另外,通過優化合金成分和微觀結構,開發了一系列在室溫附近具有優異磁熱性能的非晶合金,并詳細研究了成分、微結構和磁結構對磁熱性能的影響【Metals 2021 (11) 950;J. Alloys Compd. 2020 (845) 156191;J. Alloys Compd. 2016 (684) 29-33;J Non-Crystl. Solids 2015 (425) 114-117;J. Magn. Magn. Mater. 2018 (446) 162-165;J. Magn. Magn. Mater. 2019 (489) 165404;J. Magn. Magn. Mater. 2019 (475) 249-256】。

  最近,該團隊利用熔體抽拉技術開發了一系列Gd基非晶納米晶復合磁制冷材料。這種非晶復合磁制冷材料兼具了Gd基非晶合金和納米晶的優點,通過優化合金成分、調控制備工藝,實現了對其納米晶化相大小、數量和分布的調控,進而獲得了優異的磁熱性能。該復合材料在從70 K到近室溫都具有較大的磁熵變值,其磁制冷能力可以達到985 J/kg,明顯優于現有的其它晶態和非晶磁制冷材料。

  該研究工作以題為“Giant refrigerant capacity in Gd-based amorphous/ nanocrystalline composite fibers”的論文發表在Materials Today Physics 21 (2021) 100528。本研究得到了國家重點研發計劃項目(2018YFA0703602、2018YFA0703604)、國家自然科學基金(51771217、51827801、51922102)和中國科學院青年創新促進會(2019296)等項目的支持。

Gd基非晶納米晶復合磁制冷材料的微觀結構及磁熱性能

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