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室温磁制冷材料新突破:优异综合性能的La(Fe, Si)13Hy/In复合材料

基于磁热效应的磁制冷技术因具有绿色环保和节能高效等优点,被认为是取代传统气体压缩式制冷的新一代制冷技术。而作为磁制冷技术的核心部分,磁制冷材料的综合性能会影响最终的磁制冷应用及效率。传统磁制冷金属Gd受限于资源少、价格高等问题一直无法商业化。近年来,一系列具有大磁热效应的室温磁制冷材料被报道,但它们在制备工艺、热导率、耐蚀性、磁/热稳定性等方面仍具有明显的劣势。因此,寻求综合性能媲美甚至优于金属Gd的室温磁制冷材料是本领域研究的重要挑战之一。

研究发现,La(Fe, Si)13Hy氢化物在室温附近磁热效应显著高于金属Gd,且相变可调、原料无毒、价格低廉,极具应用潜力。但La(Fe, Si)13Hy氢化物力学性能差,难于加工成型。通过金属热压粘结可以改善La(Fe, Si)13材料的力学性能,但热压工艺会导致氢化物的分解。相反,通过环氧树脂冷压粘结可以制备出力学性能良好的La(Fe, Si)13Hy氢化物,但同时会导致材料热导性能的下降,影响磁制冷材料与传热流体之间的热量传导。

室温磁制冷材料新突破:优异综合性能的La(Fe, Si)13Hy/In复合材料

基于以上问题,北京科技大学材料科学与工程学院张虎课题组与中国科学院物理研究所、中国科学院宁波材料技术与工程研究所、华南理工大学合作,通过低熔点金属热压粘结工艺研发了一种具有优异综合性能的La(Fe, Si)13Hy/In复合磁制冷材料。尤其是,含40 wt.% In复合材料的热导率为26.9 W m-1 K-1,远远高于金属Gd的热导率9.5 W m-1 K-1,是目前室温磁制冷材料中最高的热导率。有趣的是,非磁性元素In的加入不仅没有降低磁热效应,反而使磁热效应上升,研究发现这是由于残余压制应力导致一级相变性质增强所致。此外,La(Fe, Si)13Hy/In复合磁制冷材料还具有良好的力学性能、机加工性能、耐蚀性、磁/热循环稳定性等优点。该结果不仅表明La(Fe, Si)13Hy/In复合磁制冷材料能够替代传统磁制冷工质Gd,而且为其它磁制冷材料的综合性能优化提供了一种简单易行的方法。

相关文章发表在Advanced Electronic Materials (DOI: 10.1002/aelm.201700636)上。

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