增材制造：磁制冷技术突破新途径
增材制造：磁制冷技术突破新途径
磁制冷技术作为一种高效、节能和低碳的新型制冷方式，近年来受到了广泛关注。随着工业4.0时代的到来，增材制造（3D打印）技术为磁制冷技术带来了新的突破。本文将为您详细介绍增材制造在磁制冷材料制备中的应用现状、面临的挑战以及未来的发展方向。
图1 增材制造制备磁制冷回热器件
在全球节能减排和我国“碳达峰、碳中和”目标的背景下，磁制冷作为高效、节能、低碳的制冷技术备受世界关注。磁制冷技术的基本原理是利用材料在加/去磁过程中的热量变化达到制冷效果。如何实现热量高效传输，是磁制冷技术突破的关键。
随着工业4.0时代的到来，亟需高效换热制冷工质的数字化设计和智能制造，增材制造（3D打印）则成为磁制冷技术突破的新途径。增材制造技术让磁制冷工质的设计更自由，作为一种新加工手段，相关研究还处于起步阶段，本文旨在总结增材制造磁制冷材料的研究现状与遇到的问题，探讨解决方案。
在全球节能减排和我国“碳达峰、碳中和”目标的背景下，磁制冷作为高效、节能、低碳的制冷技术备受世界关注。除了开发新的磁热材料体系外，设计高效传热的磁制冷系统成为研究热点。具有高比表面积的微球颗粒是制冷系统的首选材料，但是在球形颗粒与流体间的热交换效率提高的同时，也带来了新的困扰：沿着流体方向所产生的较大压降。研究者们利用堆垛的平行板构建流体流道以缓解压降，但是，理想的微米级薄壁与间隙通过传统的减材制造方法难以实现。随着工业4.0时代的到来，增材制造解绑了现代制造业的束缚，不需要昂贵的模具就能生产结构复杂的零件，极大地提升了设计自由度。在增材制造技术的推动下，具有高比表面积的微流道结构设计与制备成为促进磁制冷机性能提升的新途径。
对于增材制造磁热部件，相关研究如流道结构设计、工艺参数优化、微观组织演变、磁热效应等已经开展。蜂窝结构、波纹通道、翅片管道等多种结构设计已经通过3D打印成功制备。通过工艺优化，增材制造部件的磁熵变无明显衰减。同时结合激光增材制造快速凝固的特性，能够使晶粒细化，降低滞后。本团队也利用后期热处理工艺愈合裂纹缺陷，提高了断裂强度和熵变（Addit. Manuf. 59 (2022) 103125）。尽管增材制造为磁制冷带来了技术革新，仍然存在许多问题有待解决。由于多数磁制冷材料易氧化或挥发，粉末作为增材制造的主要原料，其成分与球形度控制比较困难。增材制造零件也常出现微观组织不均匀、孔隙、裂纹、粉末粘连、流道粗糙、轮廓精度低等缺陷。这些缺陷会降低零件的磁热效应、使用寿命和传热效率。然而，在制备和后期处理过程中，由于图像失真、背景辐射和材料发射率的评估比较困难，导致很难通过原位监测对微观缺陷进行精确地检测和识别，影响原位工艺控制技术发展。同时缺乏对微流道部件与流体之间的传热效率的系统研究。
影响增材制造产品性能的因素在未来的发展中有望解决。需要开发稳定成熟的粉末加工工艺，以获得高球形度、低氧含量、成分精确的原料。并且随着算法效率的提高，缺陷的原位监测和反馈控制方法有望向前迈出实质性的一步。对于流道几何形状的设计，一个有创意的途径是将3D打印技术与热流体数值模型相结合，有望设计出新颖、紧凑、高性能的磁热器件。最关键的是建立整合了设计、工艺和品质的高通量数据源，以实现理想的结构和性能的智能制备。
总结与展望
增材制造技术已经应用于航空航天、电子器件和医疗器械等领域。尽管增材制造磁热材料的相关研究还处于起步阶段，可以预见，增材制造技术必将给磁制冷领域带来革命性的变化。目前，迫切需要对原料品质、结构设计、过程监控、缺陷形成机制进行系统研究，以推进磁致冷在小家电、医疗制冷、气体液化和探测器等领域的实际应用。
作者简介
孙 文，中国科学院宁波材料技术与工程研究所，高级工程师，长期致力于磁性材料的基础研究和前沿探索工作。主持国家自然科学基金青年基金项目，浙江省自然科学基金项目，中央引导地方科技发展资金项目等。已在Addit. Manuf.，Acta Mater.等杂志上发表SCI论文30余篇，申请发明专利7项。同时也是Acta Mater.， Addit. Manuf. Lett.，J. Alloy Compd.等学术期刊的审稿人。
莫兆军，中国科学院赣江创新研究院，研究员，博导。主要研究方向为稀土固态制冷材料和新型固态制冷技术。主持国家自然科学基金（优青、面上，青年）、国家重点研发计划课题、中科院院重点部署课题等项目10余项。目前，在国内外SCI期刊发表论文80余篇，申请专利20余件。入选江西省高层次高技能领军人才、天津市创新人才推进计划：青年科技优秀人才等，兼中国稀土学会磁制冷材料与技术专业委员会委员，中国稀土学会青年工作委员会委员。
李国伟，中国科学院宁波材料技术与工程研究所，研究员，博导，中国科学院磁性材料与器件重点实验室副主任，入选国家高层次人才青年计划、中国科学院和浙江省海外高层次人才项目。主要研究方向为拓扑、磁性等功能材料的设计生长及在能量转换中的应用基础研究。在 Nat. Rev. Phys.、Sci. Adv. 等期刊发表论文70余篇，主持国家自然科学基金项目、马普学会伙伴小组项目等。担任美国化学会石油研究基金评审、Nature等期刊审稿人。
本文原文来自The Innovation Materials，原文标题为"Opportunities and challenges of additive manufacturing toward magnetic refrigeration"，DOI: https://doi.org/10.59717/j.xinn-mater.2023.100032。