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Half-Heusler合金新型磁制冷材料的发展研究

Half-Heusler合金新型磁制冷材料的发展研究


随着全球范围内对氟利昂制冷剂的全面禁用,开发新的制冷技术就越来越受到人们的重视。与传统的压缩机制冷技术相比,磁制冷技术具有单位制冷效率高、能耗小、无噪音、工作频率高、寿命长以及无环境污染等独特优点。预测,今后几年Half-Heusler合金将是磁制冷材料研究的重要方向之一。它在汽车空调,家用冰箱、空调及超市食品冷冻等方面将有广阔的应用前景和巨大的市场潜力。
  目前低温区域的磁制冷技术已经比较成熟,但在高温区域特别是近室温范围内的磁制冷技术还处于实验室探索阶段。由于磁制冷机的性能在很大程度上取决于磁制冷 工作介质的磁热效应,国内外的研究都集中在探索和开发在低场下具有强磁热效应的室温磁制冷材料。Half-Heusler合金就是近年来发现的新型磁制冷 材料之一。
  Half-Heusler合金具有特殊的能带结构。与其它普通的铁磁体一样,它也具有两个不同的自旋子能带。但特别的是,两种自旋子能带分别具有金属性和绝缘性。所以,具有这种能带结构的物质被称为“半金属”磁体。这种半金属在微观尺度下为金属性与绝缘性的共存,而在宏观上通常表现为具有金属性的磁性化合物。
  和含有稀土元素的其它材料相比,Half-Heusler合金的组成元素都是低成本的过渡族金属,原料较为低廉,因此其工业应用前景非常看好。目前,研究比较广泛的Half-Heusler合金包括Co基(CoMnGe,CoFeGe,CoMnSi,CoMnSb)、Ni基(NiMnGe,NiFeGe,NiVSb)和Fe基(FeMnGe)三大类。这三类合金的晶体结构在高温下多为Ni2In 型六角结构,而在低温下则为TiNiSi型正交结构或立方结构。
  Half-Heusler合金的结构转变温度多在室温以上。为了通过合金结构相变增强磁热效应,目前的研究工作主要是将合金的结构转变温度调整到室温附近。研究表明,通过改变合金成分,可以达到调整合金相变温度的目的。对于Half-Heusler磁制冷合金而言,合金成分的调节可分为三种方式。第一种方式调节合金中各元素之间的相对比例。由于构成Half-Heusler合金的三种元素的原子半径不同,调节各元素的相对比例会使晶格产生畸变,进而影响低温相与高温相结构的相对稳定性,从而实现调节结构转变温度目的。第二种方式是添加置换型元素。由于不同元素的原子半径不同,因此置换后的原子间距将发生局部改变,促使结构转变温度发生变化。第三种方式是掺杂适当浓度的间隙原子,使其在合金中形成富集区,从而提高某一结构的稳定性。
  根据研究,一级磁相变可以使磁性转变与结构转变产生很强的耦合效应,从而使材料表现出巨磁热效应。因此,为了实现室温磁制冷,需要适当降低磁性原子之间的交换耦合效应,使合金的磁性转变温度降低到室温附近。通过元素的替换、掺杂以及化学计量比的变化可以调节Half-Heusler合金的磁性转变温度,使其和结构相变温度之间的偏差尽量缩小,从而为产生一级磁相变和巨磁热效应创造条件。
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