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稀土磁制冷材料的重要领军人

——包头稀土研究院磁制冷专家黄焦宏先生访谈
来源: 本站原创 日期:2013-10-11 加入收藏

主持人:黄教授非常感谢您在百忙之中接受“中国稀土”网站的采访。请您首先为我们介绍磁制冷技术的基本原理和应用领域。

  黄教授:感谢“中国稀土”网站对我们课题组的采访。磁热效应是指磁性材料在变化的磁场中产生的热/冷效应,即外加在磁性材料的磁场增大时,其温度升高,施加在磁性材料的磁场减小时,温度降低,它是磁性材料的固有性质,这种特性在材料的居里点附近最大。

磁制冷是利用磁性材料所具有的磁热效应的原理制冷的,它是通过磁性材料磁矩的有序度在外磁场中发生变化(沿着磁场方向取向)而引起熵变(S)来达到制冷的目的。在工程上,需要将磁热效应所产生的热量传输到高温端,并散热;将制冷量积累在低温端。由于材料自身由磁热效应产生的温差不大,还需要某种技术拓展冷热端的温差,来达到制冷的目的。
室温磁制冷的研发分为三部分:磁制冷材料及磁工质的研发;磁场系统的设计与研制;磁制冷机的设计与研制。目前,磁制冷材料的研究已经趋于成熟,可以Kg级小批量试产,但还有待于进一步研究;磁场系统的设计、研制也比较成熟。磁制冷机方面在实验室的原理机已经比较完善,实用型样机已经研制多台,技术正在趋于成熟。目前,研发的主要目标是:减小磁体用量,提高制冷能力。著名磁制冷方面专家,美国Ames实验室哥斯奈德(Gschneidner, Jr.)教授曾经说过:当世界各国所设计研究的磁制冷机达到1000台时,磁制冷就会进入市场了。近两年,许多企业、特别是一些著名大型企业如巴斯夫公司、海尔集团等看到了磁制冷的前景,加入到磁制冷的研发队伍,对磁制冷的实用化起到了推波助澜的作用。目前各国正在加大研发力度,对磁制冷技术进行集成地、系统地研究、开发,使室温磁制冷技术尽早地走向市场。
磁制冷可以应用在冰箱、空调等制冷领域。由于磁制冷具有耗能低、无污染等优点,是替代目前使用的气体制冷技术的理想制冷技术。磁制冷能够应用在空调、冰箱、保温设备等制冷设备,可以先替代保温设备,这类制冷设备的使用量是非常巨大的。

我国是电冰箱等制冷设备生产大国,每年产量有几千多万台。使用氟利昂制冷剂的制冷设备都要逐步淘汰,更新使用无氟制冷设备,这是室温磁制冷技术应用的一个巨大市场。加上人们的生活水平的提高,空调器等制冷设备的市场也越来越大。据网络数据,2009年,我国制冷空调设备总产值到达3100亿元,占世界制冷空调设备总产值的15%以上。如果磁制冷能够替代现有制冷设备的1%,那么磁制冷的产值就达到31亿元,这些数字说明制冷设备具有广泛的市场。这对磁制冷设备的研制和生产创造了机遇和挑战。

我国拥有丰富的稀土资源,其中La的丰度高达15%左右。近年来,为了满足钕铁硼稀土永磁材料快速发展对稀土金属钕的需求,扩大了稀土的冶炼规模。目前,轻稀土分离能力达到约11万吨。由于稀土元素在矿物中是共生的,在大量分离钕元素的同时,也分离出来在矿物中品位很高的其他轻稀土元素如La、Ce、Y等。这类轻稀土主要应用于催化剂、电池材料、抛光粉、玻璃等,由于市场需求量的有限,造成了该类产品的供过于求,产生了大量库存和积压,造成企业效益不高甚至亏损,严重制约了我国稀土产业的发展。本项目的研究开发成功对稀土资源的综合利用,推动稀土产业的平衡和可持续发展具有重要的意义。

主持人:目前国外稀土磁制冷技术的研究现状是怎么样的呢?

  黄教授:近年来,世界各国都在重视节能减排,而磁制冷正是节能减排项目,因而,引起了世界各国、特别是欧美日等国的高度重视,有20多个国家在开展这方面的研发工作。自2005年以来,国际制冷学会已经组织了5届专门研讨关于磁制冷的学术会,其中,2010年8月23日至27日在包头由包头稀土研究院承办了第四届国际磁制冷学术会议。

欧美日等国家最近几年在磁制冷项目上投入了大量资金、人才研究开发该项目,已经取得了很大的进展,实验室技术已经成熟,趋于实用。美国的磁制冷技术的开展是最早、最先进、最全面的国家。有国家实验室,宇航公司,大型制冷公司等在开展磁制冷的研发工作。早在1976年美国的Brown利用超导电磁体并采用稀土金属钆(Gd)作为磁工质,制成了第一台室温磁制冷原理机。1997年美国国家实验室Ames实验室开发了具有他们自己的专利大磁熵变的室温磁制冷材料Gd5(Si,Ge)4;宇航技术中心研制成功了世界上第一台能够连续运行的磁制冷机,目前已经研制多台,并在研发实用型室温磁制冷机;美国国家标准局(NIST)及英格索兰公司分别在研发磁制冷材料和磁制冷机。美国在磁制冷材料、磁制冷机方面的专利很多。日本有多所大学、科研机构、公司开展磁制冷研发工作,研究磁热效应材料La(Fe,Si)13Hx,并设计研制了多台磁制冷机。前年成立了由多家大学(九州大学、大阪大学、神户大学、东北大学等)及公司(中部电力、三德)组成的大型课题组,由国家专项拨款对磁制冷进行联合攻关研究,并到中国(包头稀土研究院)、美国、欧洲调研磁制冷研发状况。日本很重视磁制冷的专利,在多个国家申报了专利。欧洲的荷兰、法国、意大利、英国、西班牙、丹麦、德国、俄罗斯等都在开展磁制冷的研究和开发工作。荷兰是较早开展磁制冷材料研究的国家,已经将(MnFe)2(PAs) 材料的专利转让给德国的巴斯夫(BASF)公司,荷兰代尔夫特大学还成立一个有多家(跨国)科研机构、高校、大型公司等组成的联合体,定期发布研发成果。法国有多家大学(南锡大学)、国家研究所(格林诺布尔电工研究所、奈尔研究所等)和企业公司(库忒克)开展磁制冷材料和磁制冷机的研发。库忒克公司近期得到欧盟800万欧元的支持,在建立一条磁制冷机生产线,其中一些零部件在与包头稀土研究院合作研发,据该公司总裁穆勒先生说,其产品磁制冷机在2015年前进入市场。德国也是欧洲开展磁制冷项目最活跃的国家,不但开展研发工作,还成立了专门研发磁制冷材料和磁制冷机的公司。德国真空技术公司是专门研发及生产稀土La系磁制冷材料的公司,已经有了系列产品;世界上最大的化学公司巴斯夫公司在德国总部成立了磁制冷研发机构开展磁制冷机的研究,同时在荷兰的乌德勒支成立了研究室,研发磁制冷材料。丹麦在国家研究机构成立了专门的磁制冷研究项目组。英国成立了一家专门开发磁制冷机的公司(剑桥磁制冷公司),磁制冷机预计在3年内进入市场(公司总裁2012年语)。其它国家如西班牙、瑞士、俄国、斯洛文尼亚、意大利、加拿大、韩国、巴西等均在开发磁制冷材料或磁制冷机。

主持人:黄教授,请您谈谈近几年包头稀土研究院黄焦宏课题组在磁制冷材料研发领域开展了哪些技术研究工作及所取得的成绩,稀土磁制冷机的研发制备现状如何?

  黄教授:我国开展磁制冷研究和研发工作的有20多个单位或课题组,从材料、磁场到磁制冷机进行全面的研发。包头稀土研究院是最早开展磁制冷研发的单位之一,早在1999年就成立了专门开展磁制冷研发的课题组,从磁制冷材料、磁场系统、测量仪器到磁制冷机进行全面研究,而且与多个国内外磁制冷研发单位开展了实质性的合作。全面开展磁制冷的研究,更有助于全面、系统地掌握这方面的信息,有利于合理地研发磁制冷机。在磁制冷材料研发方面,包头稀土研究院系统地研发了La、Gd系磁制冷材料,已经能够小批量生产(获得发明专利一项,正在申报一项发明专利),并为国外提供了产品;研制了具有自主知识产权的“磁热效应直接测量仪器”(获得专利),为国内外测量了大量数据,并为其它单位提供了多台该设备;设计研制了各种类型的磁制冷用磁场系统,为美国、荷兰、西班牙、巴西、德国、韩国及国内提供了产品;设计研制了11台磁各种类型的室温制冷机(获得发明专利二项,实用新型专利一项,正在申报一项发明专利),磁制冷机的最大温差达到了27.8°C,最大制冷功率达到了50W,已经接近实用,正在进一步研制实用型磁制冷机。2012年海尔集团成立了专门的研发团队在国内外调研磁制冷的研发与应用前景,最终在2013年3月与包头稀土研究院进行合作开发实用型磁制冷机,并已签署了合作合同,并投入了500万元,设计研发磁制冷机。

除稀土院外,国内开展磁制冷材料研究工作的还有中科院物理所、北京科技大学、内蒙古师范大学、四川大学、北京工业大学等20多家单位;开展磁制冷机设计与研制的单位有南京大学、中科院理化所、四川大学等。目前,磁制冷材料、磁场系统的生产技术比较成熟,磁制冷机的实验室技术已经成熟。但是还需要进一步地、系统地研发,将室温磁制冷技术尽早地推向市场。

主持人:黄教授,请您介绍一下包头稀土研究院黄焦宏课题组磁制冷领域国际交流情况及目前在世界上磁制冷所处地位。

  黄教授:自1999年稀土院就开展了室温磁制冷项目,室温磁制冷技术包括室温磁制冷材料、磁制冷用磁场系统及室温磁制冷机三部分。稀土院是目前国内外唯一能同时全面开展三部分的研究与开发的单位,为国内外多家单位(荷兰、西班牙、瑞士、丹麦、法国、美国、加拿大、巴西、韩国等)设计研制了永磁磁场系统、稀土基磁制冷材料。特别是为美国某公司制备的磁制冷用永磁磁场系统,该公司先后与本国、日本等多家单位联系,要求他们为该公司制备磁场系统,但由于该磁场系统非常复杂,这些单位都拒绝了。此时美国这家公司找到了我们,我们经过研究,承担了这个项目并圆满地完成了该项目。经该公司验收后,非常满意,还追加了项目经费。随后,该公司项目负责人在世界磁制冷领域宣传这件事,扩大了稀土研究院在世界磁制冷领域的学术地位。

日本三德公司主要生产稀土功能材料。2007年该公司与稀土院进行项目合作对接讨论,最终选择了与磁制冷项目合作。合作进行“稀土La系室温磁制冷材料研发”项目。项目由三德公司出研发经费,稀土院磁制冷项目组进行稀土La系室温磁制冷材料小试研究,得到具体工艺后,指导日本三德公司进行批量制备,2007年底与日本三德公司签署了一年的合作期限。合作完成后,应三德公司的请求,又签署了一年的合作,随后连续签署了三年的合同。由此可以看出我们的研究与开发水平得到了日本同行的认可。

近几年,课题组成员多次被国、内外邀请做邀请学术报告。2010年8月国际制冷学会(IIR/IIF)的系列学术会议“第四届国际室温磁制冷会议”在包头召开,有来自欧、美、日等20多个国家的130名国际磁制冷协会的成员、世界范围内室温磁制冷技术研究领域的权威专家以及企业界、科研界对室温磁制冷技术及相关的稀土合金制备技术感兴趣的专家学者参加了本次会议。此次会议是包头市乃至内蒙古召开的最大一次学术性国际会议。课题组的学术研究及成果在国内外同行中具有较高的影响力。

 

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