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1、Page 1 磁性蓄冷材料 Page 2 目录 4 磁性蓄冷材料的定义 2 3 5 磁性蓄冷材料优点 磁性蓄冷材料的发展历程 磁性蓄冷材料在低温制冷机中应用 磁性蓄冷材料发展展望 1 Page 3 1.磁性蓄冷材料的定义 上个世纪80 年代以来，人们开始研究在低温下 具有磁相变或肖特基反常的稀土合金材料，并将其 用作制冷机的蓄冷材料。这种因磁有序变换而产生 比热反常的材料可能成为一种很好的低温蓄冷材料 ，称为磁性蓄冷材料。 如： Er3Ni、ErNi 、Er1-xDyxNi2、HoCu2、 GdAlO3等。 Page 4 早期的G-M制冷机采用铅作为回热填料,在15K以 下的低温区域难以得到较
2、高的制冷效率，而磁性蓄 冷材料在低温下发生磁相变,在相应温度范围产生异 常的比热峰值,很大程度上解决了传统磁性蓄冷材料 在低温下比热骤降而限制制冷性能的问题。 2.磁性蓄冷材料优点 Page 5 3.磁性蓄冷材料的发展历程 1971年,Daniels等人尝试用EuS作为三级斯特林制冷机的第三级 蓄冷材料；1975年,Buschow等人进行了稀土类金属间化合物 GdxEr1-xRh的磁相变及比热容研究,发现GdxEr1-xRh在15K以下的 低温范围具有较大的磁比热容峰值,其大小与加压氦气的比热容 相当。在20世纪90年代,各国在利用磁性蓄冷材料以提高低温制 冷机性能等方面相继取得突破性进展。
3、Page 6 2000年,Numazawa等人提出了一种新型的陶瓷磁性材料 GdAlO3,并报道了利用其作为蓄冷材料的制冷机性能研究。 2003年,Tanaeva等人对几种陶瓷磁结构的稀土氧化物材料进 行了1.5-10K温区的磁相变和比热研究,结果表明,虽然从比 热容的数据来看,GdAlO3材料仍是4K温度以下制冷机的首选 回热填料,但TbFe03等相关材料也值得一试。 上世纪90年代以来,国内也积极开展磁性蓄冷材料的探索 与研究,北京科技大学与中国科学院物理化学研究所(原低温 技术实验中心)制备了多种稀土磁性材料。此外,2007年北京 科技大学还对磁性蓄冷材料ErNi、ErNi2和HoCu2
4、的氧化开展 了研究,结果表明,在一定条反应件下得到的金属氢化物保持 原合金的磁相变结构,可以推测氧化物在磁相变温度附近存 在比热容峰值。 Page 7 4.磁性蓄冷材料在低温制冷机中应用 4.1 磁性蓄冷材料三种应用方式 磁性材料在制冷机中的应用主要通过利用伴随着磁熵变 化的吸热或放热来实现, 因此,磁性材料在制冷方面的应用 可以分为三种方式： 在顺磁状态下对磁性材料施加外磁场，形成制冷循环的 磁制冷,称之为主动方式; 在磁相变温度Tc附近改变磁性材料的温度,利用磁相变 时出现的较大磁热容,称之为被动方式（回热式低温制冷机 中采用稀土磁性蓄冷材料作为回热器低温端的填料） 主、被动两种方式的混合
5、使用。 Page 8 4.2 选择合适的磁性蓄冷材料 在低温制冷机蓄冷器中, 蓄冷材料性能的优劣对蓄冷 器的性能有决定性的影响,因 而蓄冷材料的选择成为蓄冷 器设计的关键之一。必须寻 找在低温下具有足够大比热 容的蓄冷材料。 Page 9 图2 几种典型的磁性蓄冷材料比热容曲 线 Page 10 将磁性蓄冷材料应用到低温制冷机上主要应考虑以下几方面因 素: (1)在工作温度范围内,材料有足够大的体积比热容; (2)填料的比表面积要尽可能大,以利于换热; (3)填料的热扩散率要大,有合适的热导率; (4)填充率要高,以减少空容积; (5)流动阻力和轴向导热损失要小; (6)加工性能良好,化学性能
6、稳定,有足够的强度,工作过程无粉 尘; (7)价格要求合理。 Page 11 4.3 具体应用举例 图3 二级蓄冷器结构简图 双级-制冷机结构简图 如左图所示。在二级蓄冷 器中填充磁性蓄冷材料。 Page 12 图4 含磁性蓄冷材料的制冷机的低温泵 Page 13 Page 14 5.磁性蓄冷材料发展展望 寻找低温高比热容磁性蓄冷材料也成了当前低温技术研究领域 的一个热点，近十几年，研究者尝试寻找其它类型的新型磁性蓄 冷材料，陆续发现了稀土吸氢化合物以及其它的一些比热容性能 优良，具有广阔应用前景的低温磁性蓄冷材料。随着众多领域对 低温环境的要求越来越严苛，未来新型蓄冷材料的研究也必将越 来越深入和全面。 在蓄冷材料的制备方面，现在也发展起来了很多工艺，要实现 大规模的工业化生产仍需要以后科研工作者继续不断的研究和探 索。 Page 15 谢谢谢谢谢谢谢谢 ！
