磁制冷技术：原理、优势与挑战

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磁制冷技术：原理、优势与挑战

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磁制冷是一种基于磁热效应的新型制冷技术，通过磁场变化实现温度调节，具有高效节能、环保无污染等优点。随着研究的深入，磁制冷技术在航天、医疗等领域的应用日益广泛，未来有望在民用领域实现突破。

磁制冷是一种比较少见的制冷方式，相对于常见的压缩式、吸收式制冷方式，磁制冷有其优势，主要应用在航天领域，随着研究的深入，该技术在民用常温制冷方面也有所进展。

磁制冷技术原理

磁制冷是基于磁热效应的制冷技术，是指磁性材料在外加磁场作用下，温度发生变化，从而产生冷却或加热的过程。

磁性材料由许多微小的磁性粒子组成，每个粒子都含有由电子自旋和轨道角动量决定的磁矩。当置于外部磁场中时，磁矩会重新排列以适应磁场，这一过程称为磁矩取向。

通过将磁性材料和磁场源置于绝热环境中，并施加外部磁场，磁矩取向发生改变，磁矩排列成有序状态。此时磁性材料内部能量增加，温度上升，放出热量。撤去外部磁场后，磁矩又恢复到无序状态，导致磁性材料温度下降，从而吸收外部热量，产生制冷效果。

磁制冷的组件

要实现磁制冷过程，需要磁性材料、磁场源、热交换器等部件。

在绝热环境下，施加外部磁场使磁性材料发生磁矩取向变化并释放热量，通过热交换器从散热器排出。

当磁场撤去，磁性材料的温度就会下降，相对于被冷却的物体，磁性材料的温度较低，因此磁性材料会从被冷却的物体上吸收热量，导致其温度下降，如此循环往复，形成热流的闭环，如此反复，不断吸收被冷却物体的热量，达到冷却的效果。

磁制冷技术中使用的磁铁

磁铁的作用

磁制冷技术中磁铁的作用是提供强磁场，促使磁制冷材料中磁矩发生重新排列，导致材料内部温度发生变化，进而达到制冷效果。

磁铁的种类

磁制冷技术中常用的磁体主要有以下几种：

钕磁铁：这是一种人造永磁体，具有很高的磁能积和剩磁，广泛应用于磁制冷技术。

钐钴磁铁：这些材料在高温下表现出优异的磁性能，适用于高温磁制冷应用。

磁制冷技术中使用的磁性材料

寻找高效磁制冷材料是磁制冷技术的关键

锰基金属化合物：Mn基金属化合物的研究重点是化合物中As的取代和填充原子的添加。随着X值的增加，MnFep1-Xix材料的居里温度逐渐上升，而热滞ΔThys逐渐减小。在0-2T磁场下，化合物的最大磁熵变在7至13 J/(kg·K)范围内，与GD金属相比较小，但其冷却能力（RCP）约为1.5-2.0倍。

GD 金属化合物：钆镓石榴石金属及其合金化合物由于居里温度较低（293K），受到广泛的研究，如钆镓石榴石（GD3Ga5O12）的居里温度约为2K，适用于低温制冷。

镧基金属化合物：La基金属化合物，特别是La(Fe,Si)13系列，具有一级相变，属于亚铁磁相变过程，相变过程中伴随各向同性的体积变化，容易发生断裂。然而，在2T磁场变化下，LaFe11.6Si1.4合金的磁熵变可达13 J/(kg·K)，表现出巨磁热效应。

Heusler 合金：Heusler合金由Fritz Heusler提出，包括金属间化合物比例为1:1:1的半Heusler合金和金属间化合物比例为2:1:1的全Heusler合金。Heusler合金表现出巨磁热效应和形状记忆效应，成为磁制冷领域的研究热点。