磁致冷技术发展历史

如题所述

磁致冷,是指以磁性材料为公质的一种全新的制冷技术,其基本原理是借助磁致冷材料的磁热效应(Magnetocaloric Effect,MCE),即磁致冷材料等温磁化时向外界放出热量,而绝热退磁时从外界吸取热量,达到制冷的目的。磁致冷材料是用于磁致冷系统的具有磁热效应的物质。其制冷方式是利用自旋系统磁熵变的制冷,磁致冷首先是给磁体加磁场,使磁矩按磁场方向整齐排列,然后再撤去磁场,使磁矩的方向变得杂乱,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,达到制冷的目的。磁制冷材料使磁致冷机的核心部分,即一般所称的制冷剂或制冷工质。与传统制冷相比,磁致冷单位制冷效率高、能耗小、运动部件少、噪音小、体积小、工作频率低、可靠性高以及无环境污染,因而被誉为绿色制冷技术。
磁致冷的研究可追溯到19世纪末,1881年Warburg首先观察到金属铁再外加磁场中的热效应,1895年Langeviz发现了磁热效应。1926年Debye、1927年Giauque两位科学家分别从理论上推导出可以利用绝热去磁制冷的结论后,磁致冷技术得以逐步发展。
20世纪30年代利用顺磁盐作为磁致冷工质,采用绝热去磁方式成功地获得毫升量级的低温,20世纪80年代采用Gd3Ga5O12(GGG)型的顺磁性石榴石化合物成功地应用于1.5~15K的磁致冷,20世纪90年代采用磁性Fe离子取代部分非磁性Gd离子,由于H离子与Gd离子间存在超交换作用,使局域磁矩有序化,构成磁性的纳米团簇,当温度大于15K时其磁熵变高于GGG,从而成为15~30K温区最佳的磁致冷工质。
1976年布朗首先采用金属Gd为磁致冷工质,在7T磁场下实现了室温磁致冷的试验,由于采用超导磁场,无法进行商品化,20世纪80年代以来人们的磁致冷工质开展了广泛的研究工作,但磁熵变均低于Gd的1倍,高温磁致冷正一步步走向实用化,据报道1997年美国已研制成以Gd为磁致冷工质的磁致冷机。
在工业生产和科学研究中,人们通常把人工制冷分为低温和高温两个温区,把制取温度低于20K的称为低温制冷,高于20K称为高温制冷。在低温区,超导技术的发展和应用要求具有体积小、质量轻、效率高的制冷装置,在高温区(尤其是室温区),由于传统气体制冷工质使用的氟利昂对大气中臭氧层有破坏作用而被国际上所禁用,要求发展新型无环境污染的制冷技术。而磁致冷在这方面的优势促使其成为引人注目的国际前沿研究课题。
低温超导技术的广泛应用,迫切需要液氦冷却低温超导磁体,但液氦价格昂贵,因而希望有能把液氦汽化的氦化再液化的小型高效率制冷机。如果把以往的气体压缩-膨胀式制冷机小型化,必须把压缩机变小,这样将使制冷效率大大降低。因此,为了满足液化氦气的需求,人们加速研制低温(4~20K)磁致冷材料和装置,经过多年的努力,目前低温磁致冷技术已经达到实用化。低温磁致冷技术所使用的磁致冷材料主要是稀土石榴石Gd3Ga5O12(GGG)和Dy3Al5O12(DAG)单晶。使用GGG或DAG等材料做成的低温磁致冷机属于卡诺磁致冷循环型,起始制冷温度分别为16K和20K。
目前,磁致冷材料、技术和装置的研究开发,美国和日本居领先水平,这些发达国家都把磁致冷技术研究开发列为21世纪初的重点攻关项目,投入了大量的资金、人力和物力,竞争极为激烈,都想抢先占领这一高新技术领域。
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