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宁波材料所在磁制冷材料塑性变形与各向异性导热研究上取得进展

来源:中科院宁波材料所 日期:2020-03-18 加入收藏

 
  作为传统蒸气压缩制冷的替代技术,以磁制冷(magnetocaloric refrigeration)为代表的新型固态相变制冷技术近年来发展迅猛,各类新材料、新结构与新器件的报道屡见不鲜,并以其高效、低噪、体积紧凑、无温室气体释放等优点展现出极大的应用潜能。基于磁热效应的磁制冷技术一般利用磁场驱动磁性材料相变,通过释放和吸收巨大的相变潜热,使材料本身温度改变,达到制冷目的。目前最广泛研究的磁制冷工质是La-Fe-Si合金,其制备成本低廉、无毒、在2T磁场下能够产生5-7K的大绝热温变,并且相变温度范围可通过引入间歇氢原子等手段在190-360K范围内调节。但是,金属间化合物的本征脆性使其加工成型能力不足,而为实现高效磁制冷循环,要求将磁制冷工质加工成薄片、丝状等特定形状以提供大的换热面积和流体快速换热。以往稀土基磁制冷合金的开发过程中,研究者往往通过树脂或金属复合粘接的方法提升材料加工成型性能,但这种方法会带来许多弊端,其中最不能忽视的就是粘结剂对材料磁热效应的稀释。

  最近,中国科学院宁波材料技术与工程研究所磁性相变材料团队与西安建筑科技大学和内蒙古师范大学合作,提出自由锻造La-Fe-Si合金的塑性成型方法,可直接获得厚度小于5毫米的合金薄片,经过短时退火后可在2T磁场下产生14J/kgK的磁熵变和5.7K的绝热温变。通过透射电子显微镜观察发现,尽管富稀土相在塑性变形过程中破碎,但合金中大量存在的α-Fe枝晶可作为塑性相网络协调变形,这赋予了合金优异的塑性成型性能。此外,在合金中存在的大量位错亚结构及变形织构(如图1)储存了应变能,在退火过程中促进元素扩散,在短时间内可生成无畸变的磁热功能相,保持了合金磁热效应。另外,传统磁制冷工质只具有各向同性的导热能力,这是源自于其随机且等轴状的组织;而在经过塑性变形的La-Fe-Si合金中,高导热α-Fe相以垂直锻造方向定向排列,由此获得了在面内和垂直平面方向上各向异性的热导率,实现了磁热材料定向导热性能,使得未来进一步增强磁制冷回热器的换热效率和制冷能力成为可能。这种基于塑性变形手段调控磁热材料组织与性能的研究,对稀土基磁制冷材料的成型与组织性能设计具有重要启发作用,也为开发新型定向导热磁制冷材料提供了创新思路。本研究工作得到了国家重点研发计划(2017YFB0702703)和国家自然科学基金(51971232)资助,成果最近发表在Acta Materialia (2020, v.187, p.1) 上。

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  图1 (a)La-Fe-Si合金铸态组织、(b-c)变形组织、(d)变形织构极图与(e)变形后小角度晶界分布
 
 

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