磁致冷材料.ppt

磁致冷材料.ppt磁致冷材料的发展
1976年,,用金属Gd(钆)作磁致冷工质,获得了从室温到248K的低温,其△T为47K(相当于22~一25℃)。这是室温磁致冷技术的开端。
随后,实验表明用稀土金属Gd(居里点为293K)作室温磁致冷材料是成功的。所以稀土金属Gd作磁致冷工质,把磁致冷技术从液氦低温引向室温附近,这在磁致冷技术发展中具有划时代的意义。由此,很自然地把磁致冷工质的研究重点,引向室温磁致冷材料方面来。
目前第五台磁制冷样机已经由包头稀土研究院制出。
磁致冷材料
磁致冷材料
(1)磁致热效应
铁磁体受磁场作用后,在绝热情况下,发生温度上升或下降的现象,称磁致热效应。
(2)磁熵
磁致热效应是熵变化的结果,它是与温度,磁场等因素有关的物理量。磁熵变
磁致冷的基本概念
磁致冷材料
(3)退磁降温温差
退磁降温的温度变化是指磁性介质在绝热条件下经磁化和退磁后,其自身的温度变化。它是标志磁致冷材料制冷能力的最重要的参量。
磁致冷材料的特性
(1)根据磁场的变化,产生的磁熵变化要大,即放热—吸热量大,在一个周期内的冷却效应高。
(2)晶格的热振动要小,热量不至于通过振动消耗掉。
(3)热传导高,进行一个循环周期所需时间短。
(4)具有高的电阻率,以减少磁场变化引起的感应涡流产生大的热效应。
磁致冷材料
磁致冷材料的选择依据:
(1)磁致冷宜选用具有一定自发磁化强度的铁磁材料做工质。
(2)为了减小负荷,应使选用的工质具有较大的德拜温度Dθ。
(3)为了获得足够大的,选用 J 、g因子较大即磁矩较大的磁性材料。
(4)由于在T=Tc处取得极大值,要求所选磁性材料的居里点应处于所要求的致冷温度范围内,例如,对于近室温磁致冷工质的居里点应为300K左右。
磁致冷材料
磁致冷材料的选择依据:
(5)热导率的大小,直接影响磁性工质内部和高温热源之间的热交换时间。热导率是决定磁致冷机运行速度及其致冷能力的一个重要因素。
(6)各向异性的磁性物质,在特定的晶格方向上的g数值较大,在较小磁场的情况下,有可能在广泛的温度区域获得大的磁熵变化。
(7)如果工质在某一温度熵变很大,那么这种工质,特别是发生一级相变的材料,具有大的磁热效应。
(8)良好的成型加工性能。
磁致冷材料
根据应用温度,磁致冷材料可分为三个温区使用
(1)极低温度温区(20K以下);(2)低温温区(20~77K);(3)高温温区(77K以上)
22K以下温区的磁致冷材料:
这个温区多为顺磁材料,以GGG和DAG为主导。GGG(Gd3Ga5O12)适用于15K以下,特别10以下。
DAG(Dy3Al5O12)用于10K以上,特别是15K以上。常用GGG和DAG进行氦液化前级制冷。
20~77K温区的磁致冷材料:
20~77K是液化氢,液化氮的重要温区;以RAl2,RNu2(R=稀土元素)为代表。另外zimm等人研制了一种(Gd1-xErx)Al2复合材料l9],该材料磁矩大,居里温度宽(l4K~164K)。
磁致冷材料
77K以上特别是室温区
在该温区研究的主要稀土磁致冷材料有Gd及其化合物、La基化合物和其它一些重稀土元素及其化合物,其中最具代表性的材料为Gd、GdsiGe(Sn)合金、LaFe,M)13,(M=Si,Co,Al)及La系钙钛矿化合物。
斓系稀土金属Gd由于具有大的原子磁矩,是研究较多的一种室温磁致冷材料, 293K附近发生顺磁-铁磁二级相变,在室温附近具有比较明显的磁热效应,ST外场变化下最大磁嫡变和最大绝热温变分别为10J/()、12K,通常被作为新型室温磁致冷材料性能对比的参照物。
金属Gd还具有良好的可加工性能,是目前在室温磁制冷机中应用最多的材料。
磁致冷材料
室温磁致冷材料
(1)Gd-Si-Ge 磁致冷材料
Gd 的晶体结构是密排六方。它的电子结构是在未满壳层 4f 轨道上有 7 个不成对电子, 是整个稀土族元素中不成对电子数最多的元素, 总角动量量子数为 7/2, 因此具有较大的磁矩。
在整个稀土族元素中, Gd 是唯一在室温附近磁有序的元素。它的居里温度根据纯度不同在 294K 附近上下波动。在相变点处, 温度和外加磁场可诱导材料发生铁磁- 顺磁的二级相变。
实验证明该金属在室温附近具有较大的磁热效应。
磁致冷材料
磁致冷材料
Gd5(SixGe1- x)4合金
将 Gd 与半导体元素化合得到 Gd5(SixGe1- x)4合金, 其合金的晶体结构与化学成分分密切相关。Gd-Si-Ge 材料的磁热效应紧紧依赖于其晶体结构。

Gd-Si-Ge系合