磁制冷材料,尤其是新型室温磁制冷材料具有强磁晶耦合、体积相变效应和金属间化合物本征性质,大多表现出易碎、难加工成型等特点,解决这些难题是推动其技术应用的必由之路。无论是室温或低温磁制冷材料,要制作成为主动或被动式磁制冷工作床,都需要经历规模化和稳定化制备、切割、加工成型、磁性与非磁性测试的这一流程。近年来,国内外学者在开发新材料体系的同时,也在加紧部署和实施磁制冷材料加工的战略路线,正是这个关键环节突破推进了磁制冷样机的发展。以稀土过渡族化合物La-Fe-Si基材料为例,人们用共析分解、聚合物或金属粘接、引入多孔概念等新工艺尝试解决其加工脆性和循环疲劳问题,并取得良好效果;采用低温合金化再充氢的调节居里点的有效方法,避免了半充氢材料时效后相分离问题;采用选择性激光烧结(SML)的3D打印技术,实现了规则微通道的近终型加工。国内虽然在新材料体系开发上几乎与国外研究同步,特别是低温磁制冷材料处于国际领先地位,但过去几年在磁制冷材料加工方向上起步较晚、差距明显、与材料物理和器件配合度不够,在一定程度上造成了国内磁制冷领域的滞后。
近年来,宁波材料所稀土磁性功能材料实验室对磁制冷材料的组织调控、制备成型和新概念制冷等方面进行系统研究。发展了规模化快速凝固铸片及粉末制备技术,以及非化学计量比合金成分调节和微观组织优化。研发出表面(近辊面)光滑、厚度均一、磁转变温度可控、每炉数公斤的La-Fe-Co-Si甩片,其磁熵变性能已超过德国真空冶金(VAC)公司生产的等磁场强度和等工作温度下的烧结磁体,与包头稀土研究院和法国Cooltech公司建立合作关系。此外,在非正分La基合金中引入过渡“桥接”相和层片共析组织,有效缩短了功能相的形成周期与合成工艺流程,对于发掘高磁熵、高导热、高强度等综合平衡指标的室温磁制冷材料,发展低能耗制备技术起到重要推动作用。相关结果申请了专利(201510096196.3,201510078240.8),并在国际期刊上发表了研究成果:Materials Letters (2014, vol.134, p87), Journal of Magnetism and Magnetic Materials (2014, vol.257, p73; 2015, vol.377, p.90),Chinese Physics B (accepted), Physica B (doi:10.1016/j.physb.2015.03.012)。
此项研究获得了宁波市创新团队(2014B81001)和浙江省杰出青年基金(LR14E010001)的支持。
La-Fe-Co-Si速凝薄带
La-Fe-Co-Si速凝薄带磁热性能
(稀土磁性功能材料实验室 刘剑)
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