磁性蓄冷材料

1、Page 1磁性蓄冷材料磁性蓄冷材料Page 2目錄目錄4 磁性蓄冷材料的定義235磁性蓄冷材料優(yōu)點(diǎn)磁性蓄冷材料的發(fā)展歷程磁性蓄冷材料在低溫制冷機(jī)中應(yīng)用 磁性蓄冷材料發(fā)展展望1Page 31.磁性蓄冷材料的定義上個(gè)世紀(jì)80 年代以來，人們開始研究在低溫下具有磁相變或肖特基反常的稀土合金材料，并將其用作制冷機(jī)的蓄冷材料。這種因磁有序變換而產(chǎn)生比熱反常的材料可能成為一種很好的低溫蓄冷材料，稱為磁性蓄冷材料。如： Er3Ni、ErNi 、Er1-xDyxNi2、HoCu2、 GdAlO3等。Page 4早期的G-M制冷機(jī)采用鉛作為回?zé)崽盍?在15K以下的低溫區(qū)域難以得到較高的制冷效率，而磁性蓄冷材料

2、在低溫下發(fā)生磁相變,在相應(yīng)溫度范圍產(chǎn)生異常的比熱峰值,很大程度上解決了傳統(tǒng)磁性蓄冷材料在低溫下比熱驟降而限制制冷性能的問題。2.磁性蓄冷材料優(yōu)點(diǎn)Page 53.磁性蓄冷材料的發(fā)展歷程1971年,Daniels等人嘗試用EuS作為三級(jí)斯特林制冷機(jī)的第三級(jí)蓄冷材料；1975年,Buschow等人進(jìn)行了稀土類金屬間化合物GdxEr1-xRh的磁相變及比熱容研究,發(fā)現(xiàn)GdxEr1-xRh在15K以下的低溫范圍具有較大的磁比熱容峰值,其大小與加壓氦氣的比熱容相當(dāng)。在20世紀(jì)90年代,各國在利用磁性蓄冷材料以提高低溫制冷機(jī)性能等方面相繼取得突破性進(jìn)展。Page 62000年,Numazawa等人提出了一種

3、新型的陶瓷磁性材料GdAlO3,并報(bào)道了利用其作為蓄冷材料的制冷機(jī)性能研究。2003年,Tanaeva等人對(duì)幾種陶瓷磁結(jié)構(gòu)的稀土氧化物材料進(jìn)行了1.5-10K溫區(qū)的磁相變和比熱研究,結(jié)果表明,雖然從比熱容的數(shù)據(jù)來看,GdAlO3材料仍是4K溫度以下制冷機(jī)的首選回?zé)崽盍?但TbFe03等相關(guān)材料也值得一試。上世紀(jì)90年代以來,國內(nèi)也積極開展磁性蓄冷材料的探索與研究,北京科技大學(xué)與中國科學(xué)院物理化學(xué)研究所(原低溫技術(shù)實(shí)驗(yàn)中心)制備了多種稀土磁性材料。此外,2007年北京科技大學(xué)還對(duì)磁性蓄冷材料ErNi、ErNi2和HoCu2的氧化開展了研究,結(jié)果表明,在一定條反應(yīng)件下得到的金屬氫化物保持原合金的磁

4、相變結(jié)構(gòu),可以推測(cè)氧化物在磁相變溫度附近存在比熱容峰值。Page 74.磁性蓄冷材料在低溫制冷機(jī)中應(yīng)用4.1 磁性蓄冷材料三種應(yīng)用方式磁性材料在制冷機(jī)中的應(yīng)用主要通過利用伴隨著磁熵變化的吸熱或放熱來實(shí)現(xiàn), 因此,磁性材料在制冷方面的應(yīng)用可以分為三種方式：在順磁狀態(tài)下對(duì)磁性材料施加外磁場(chǎng)，形成制冷循環(huán)的磁制冷,稱之為主動(dòng)方式;在磁相變溫度Tc附近改變磁性材料的溫度,利用磁相變時(shí)出現(xiàn)的較大磁熱容,稱之為被動(dòng)方式（回?zé)崾降蜏刂评錂C(jī)中采用稀土磁性蓄冷材料作為回?zé)崞鞯蜏囟说奶盍希?主、被動(dòng)兩種方式的混合使用。Page 84.2 選擇合適的磁性蓄冷材料在低溫制冷機(jī)蓄冷器中,蓄冷材料性能的優(yōu)劣對(duì)蓄冷器的性能

5、有決定性的影響,因而蓄冷材料的選擇成為蓄冷器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵之一。必須尋找在低溫下具有足夠大比熱容的蓄冷材料。Page 9圖2 幾種典型的磁性蓄冷材料比熱容曲線Page 10將磁性蓄冷材料應(yīng)用到低溫制冷機(jī)上主要應(yīng)考慮以下幾方面因素:(1)在工作溫度范圍內(nèi),材料有足夠大的體積比熱容;(2)填料的比表面積要盡可能大,以利于換熱;(3)填料的熱擴(kuò)散率要大,有合適的熱導(dǎo)率;(4)填充率要高,以減少空容積;(5)流動(dòng)阻力和軸向?qū)釗p失要小;(6)加工性能良好,化學(xué)性能穩(wěn)定,有足夠的強(qiáng)度,工作過程無粉塵;(7)價(jià)格要求合理。Page 114.3 具體應(yīng)用舉例圖3 二級(jí)蓄冷器結(jié)構(gòu)簡圖雙級(jí)-制冷機(jī)結(jié)構(gòu)簡圖如左圖所示。在二級(jí)蓄冷器中填充磁性蓄冷材料。Page 12圖4 含磁性蓄冷材料的制冷機(jī)的低溫泵Page 13Page 145.磁性蓄冷材料發(fā)展展望尋找低溫高比熱容磁性蓄冷材料也成了當(dāng)前低溫技術(shù)研究領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)，近十幾年，研究者嘗試尋找其它類型的新型磁性蓄冷材料，陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了稀土吸氫化合物以及其它的一些比熱容性能優(yōu)良，具有廣闊應(yīng)用前景的低溫磁性蓄冷材料。隨著眾多領(lǐng)域?qū)Φ蜏丨h(huán)境的要求越來越嚴(yán)苛