磁致冷材料.ppt

磁致冷材料?磁致冷是指以磁性材料为介质的一种全新的制冷技术。基本原理: 借助磁致冷材料的磁热效应( ocalonc Effect , MCE ), 即磁致冷材料等温磁化时向外界放出热量,达到时制冷的目的。磁致冷材料是用于磁致冷系统的具有磁热效应的物质。是磁致冷机的核心部分,即所谓的制冷剂或制冷工作。与系统制冷相比,具有以下优点: 磁致冷单位制冷效率高,能耗小,运动部件少,噪声小,体积小工作频率低,可靠性高,以及无环境污染。磁致冷装置,由磁致冷材料、磁场和热交换器组成。?磁致冷材料的发展? 1976 年,美国的 , 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 mS?磁致冷的基本概念 dH T HTM S Hm????? 0),( 磁致冷材料(3)退磁降温温差 T?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=T c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。 mS? mS? 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 ( Gd 3 Ga 5O 12)适用于 15K 以下,特别 10 以下。? DAG ( Dy 3 Al 5O 12)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 RAl 2, RNu 2( R= 稀土元素)为代表。另外 zimm 等人研制了一种( Gd 1-x Er x) Al 2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