稀土室温磁制冷材料Gd3Al2系列合金研究现状

　　0 引言

　　近二十年来，人们对室温磁制冷材料进行过广泛而深入的研究。然而磁制冷材料的进展缓慢，到目前为止仍未实现商业化。其主要原因在于没有找到理想的具有巨磁热效应的磁制冷材料。要得到较好的制冷效果，就必须借助超导体产生强磁场，但超导使磁制冷结构复杂，成本大大增加，严重阻碍了磁制冷技术的商业化进程。因此，人们一直在努力寻找廉价且具有巨磁热效应的材料，来取代超导体产生的外磁场，使磁制冷机的结构简化，降低成本; 研究虽取得一些成果，但进展缓慢。自具有巨磁热效应材料 Gd5Si2Ge2[1]的发现，在世界范围内掀起了研究室温磁制冷材料的热潮，新型的室温磁制冷材料不断被发现，如 Gd5Si2Ge2、LaFe11. 6Si1. 4[2]、MnFeP0. 45As0. 55[3]及 La0. 8Ca0. 2MnO3[4]合金。但它们存在很多不利的因素。例如，试验结果表明[5]，在 1. 5T 磁场下，Gd5Si2Ge2材料并不如 Gd 的性能高，到目前为止，很少见到将它们用于室温磁制冷机上。因此，开发更为廉价的低磁场下具有巨磁热效应的材料，是我们研究的方向。

　　具有巨磁热效应材料 Gd5Si2Ge2的发现无疑是磁制冷材料研究的一大突破，它的巨磁热效应的发现为寻找巨磁热效应材料的研究提供了新的途径。Gd5Si4是室温磁制冷材料，居里温度为 355K，在磁场为 1T 时，磁熵变为 13 kJ/m3·K[6]。与 Gd 相比，居里温度过高，磁熵变仅为 Gd 的一半。当通过合金化方法添加 Ge 形成 Gd5Si2Ge2合金时，产生了巨磁热效应，其磁熵变是 Gd 的 2 倍，Gd5Si4的 4 倍。Gd5Si2Ge2的居里温度为 276K，稍低了一点，通过添加 Ga 及调整合金的比例，提高了居里温度，所以我们借鉴新的思路来寻找室温磁制冷材料。

　　1 材料的选择依据

　　磁制冷材料的磁制冷性能主要取决于居里温度Tc、外加磁场和磁热效应。外加磁场指对磁制冷材料进行磁化时所施加的外部磁场，对同一磁制冷材料而言，磁场越大，磁热效应就越大。磁热效应一般

　　用在磁场一定时，居里温度下的等温熵变 ΔSm或绝热温度变化 ΔTad来表征。在相同磁场条件下，若ΔSm或 ΔTad越大，则该材料的磁热效应就越大。室温磁制冷材料的选用原则是:

　　1) 由于 Tc 处等温磁熵变 ΔSm或绝热温变 ΔTad取得最大值，所以选取的磁性材料的居里温度应在室温区域。

　　2) 要求磁性材料的总角动量量子数 J 值和朗德因子 gJ值大，以获得较大的磁熵变 ΔSm或绝热温变 ΔTad。

　　3) 尽量选取加工性能良好，价格便宜又易获得的铁磁材料作为室温磁制冷材料。