Half-Heusler合金新型磁制冷材料的發(fā)展研究
隨著全球范圍內(nèi)對氟利昂制冷劑的全面禁用，開發(fā)新的制冷技術(shù)就越來越受到人們的重視。與傳統(tǒng)的壓縮機(jī)制冷技術(shù)相比，磁制冷技術(shù)具有單位制冷效率高、能耗小、無噪音、工作頻率高、壽命長以及無環(huán)境污染等獨特優(yōu)點。預(yù)測，今后幾年Half-Heusler合金將是磁制冷材料研究的重要方向之一。它在汽車空調(diào)，家用冰箱、空調(diào)及超市食品冷凍等方面將有廣闊的應(yīng)用前景和巨大的市場潛力。
目前低溫區(qū)域的磁制冷技術(shù)已經(jīng)比較成熟，但在高溫區(qū)域特別是近室溫范圍內(nèi)的磁制冷技術(shù)還處于實驗室探索階段。由于磁制冷機(jī)的性能在很大程度上取決于磁制冷 工作介質(zhì)的磁熱效應(yīng)，國內(nèi)外的研究都集中在探索和開發(fā)在低場下具有強磁熱效應(yīng)的室溫磁制冷材料。Half-Heusler合金就是近年來發(fā)現(xiàn)的新型磁制冷 材料之一。
Half-Heusler合金具有特殊的能帶結(jié)構(gòu)。與其它普通的鐵磁體一樣，它也具有兩個不同的自旋子能帶。但特別的是，兩種自旋子能帶分別具有金屬性和絕緣性。所以，具有這種能帶結(jié)構(gòu)的物質(zhì)被稱為“半金屬”磁體。這種半金屬在微觀尺度下為金屬性與絕緣性的共存，而在宏觀上通常表現(xiàn)為具有金屬性的磁性化合物。
和含有稀土元素的其它材料相比，Half-Heusler合金的組成元素都是低成本的過渡族金屬，原料較為低廉，因此其工業(yè)應(yīng)用前景非�？春谩Ｄ壳�，研究比較廣泛的Half-Heusler合金包括Co基（CoMnGe，CoFeGe，CoMnSi，CoMnSb）、Ni基（NiMnGe，NiFeGe，NiVSb）和Fe基（FeMnGe）三大類。這三類合金的晶體結(jié)構(gòu)在高溫下多為Ni2In 型六角結(jié)構(gòu)，而在低溫下則為TiNiSi型正交結(jié)構(gòu)或立方結(jié)構(gòu)。
Half-Heusler合金的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變溫度多在室溫以上。為了通過合金結(jié)構(gòu)相變增強磁熱效應(yīng)，目前的研究工作主要是將合金的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變溫度調(diào)整到室溫附近。研究表明，通過改變合金成分，可以達(dá)到調(diào)整合金相變溫度的目的。對于Half-Heusler磁制冷合金而言，合金成分的調(diào)節(jié)可分為三種方式。第一種方式調(diào)節(jié)合金中各元素之間的相對比例。由于構(gòu)成Half-Heusler合金的三種元素的原子半徑不同，調(diào)節(jié)各元素的相對比例會使晶格產(chǎn)生畸變，進(jìn)而影響低溫相與高溫相結(jié)構(gòu)的相對穩(wěn)定性，從而實現(xiàn)調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變溫度目的。第二種方式是添加置換型元素。由于不同元素的原子半徑不同，因此置換后的原子間距將發(fā)生局部改變，促使結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變溫度發(fā)生變化。第三種方式是摻雜適當(dāng)濃度的間隙原子，使其在合金中形成富集區(qū)，從而提高某一結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。
根據(jù)研究，一級磁相變可以使磁性轉(zhuǎn)變與結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變產(chǎn)生很強的耦合效應(yīng)，從而使材料表現(xiàn)出巨磁熱效應(yīng)。因此，為了實現(xiàn)室溫磁制冷，需要適當(dāng)降低磁性原子之間的交換耦合效應(yīng)，使合金的磁性轉(zhuǎn)變溫度降低到室溫附近。通過元素的替換、摻雜以及化學(xué)計量比的變化可以調(diào)節(jié)Half-Heusler合金的磁性轉(zhuǎn)變溫度，使其和結(jié)構(gòu)相變溫度之間的偏差盡量縮小，從而為產(chǎn)生一級磁相變和巨磁熱效應(yīng)創(chuàng)造條件。
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