磁致冷材料新技术让生活更加环保

　　夏日炎炎，空调、冰箱已经成了广大家庭夏日避暑“标配”，随着家居智能化浪潮，空调、冰箱也变得更为智能、节能，但其制冷技术却没有实质性改变，依然沿用着近百年的压缩制冷原理：利用压缩机、冷凝管和含氟制冷剂。
    
    这个“传承”了百年的工艺始终给大气环境造成着无法弥补的危害：含氟的化学制冷剂排放到空气中，不仅会破坏臭氧层导致温室效应，同时也消耗着大量的能量。让空调、冰箱变得更高效、更环保，成了全世界科学家共同努力的方向，而磁致冷材料的出现，有望让人们告别含氟制冷剂，让生活变得环保。
    
    中科院宁波材料所磁性材料与先进装备事业部中，研究员杜娟团队近年来一直关注着磁致冷材料的发展，并在浙江省杰出青年基金资助下开展了镍锰锌/锑（NiMnSn/Sb）赫斯勒合金磁致冷材料的研究。
    
    杜娟介绍，磁致冷技术是基于磁性材料的磁熵变发生的，当给磁体加磁场，使磁矩按磁场方向齐排列（磁熵变小），然后再撤去磁场，使磁矩的方向变为紊乱（磁熵变大），这时磁体从周围吸收热量，通过热交换使周围环境的温度降低，达到致冷的目的。
    
    与传统制冷技术相比，磁致冷效率高、能耗小、及无环境污染，因而被誉为绿色制冷技术。“新型磁致冷材料能够减少25%-50%的能耗，且体积也小了很多。”杜娟说，“用它所制成的空调或只有打印机大小。”
    
    “其实，利用钆镓石榴石等原料制备出了低温磁致冷材料技术已经实用化。”杜娟介绍，1997年具有巨磁热效应的钆硅锗（Gd5Si2Ge2）合金的发现，在世界范围掀起了室温磁致冷材料及相关技术的研究热潮。
    
    在2002年美国的科研人员便研制出世界上第一台能利用永磁体驱动的在室温下工作的磁冰箱。之后包括日本、美国、欧洲以及中国等国家投入了大量人力物力开展室温实用化的磁致冷冰箱的研制中。
    
    “国外各大制冷公司都非常关注新型的磁致冷材料的研究进展，同时也在不断改进磁致冷样机的设计。中国各大高校和科研院所在相关研究方面也取得了可喜的进展。”杜娟表示，在浙江省自然科学基金的资助下，他们团队开展了“镍锰锌/锑赫斯勒合金氏体相变相关的磁滞、磁制冷性能的研究”，这一体系相比于一般的磁致冷材料更具优势。
    
    “镍锰锡/锑赫斯勒合金制备相对简便。”杜娟说道，赫斯勒合金可利用“真空电弧熔炼法，然后在800-900度短时间退火”就可以制备，这个方法大大降低了制备能耗，节约了制备成本。
    
    然而由于巨磁熵变所特有的磁滞和热滞是制约其应用的关键问题，杜娟团队的研究目标就是利用掺杂、纳米技术、不同制备工艺等方法来减少或者消除这种滞后现象，并且已经取得了一定的研究进展。同时该团队也正在改进磁致冷材料普遍偏脆、机械性能不好的的问题，全面推进其作为磁致冷材料的实用化进程。
    
    镍锰锡/锑赫斯勒合金制冷材料是最有可能应用的制冷工质之一。考虑到制冷空间的问题，杜娟研究员预测，室温磁制冷技术将会首先在汽车冰箱、空调上得到应用，然后逐步应用到家用冰箱、空调，成为十分有竞争潜力的新型制冷技术。“相信随着相关技术的进步和成熟，我们也许在10年之后就能看到绿色环保的磁致冷设备走进家庭了。”