Half-Heusler合金新型磁制冷材料的發展研究

---

隨著全球范圍內對氟利昂制冷劑的全面禁用，開發新的制冷技術就越來越受到人們的重視。與傳統的壓縮機制冷技術相比，磁制冷技術具有單位制冷效率高、能耗小、無噪音、工作頻率高、壽命長以及無環境污染等獨特優點。預測，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，家用冰箱、空調及超市食品冷凍等方面將有廣闊的應用前景和巨大的市場潛力。
　　目前低溫區域的磁制冷技術已經比較成熟，但在高溫區域特別是近室溫范圍內的磁制冷技術還處于實驗室探索階段。由于磁制冷機的性能在很大程度上取決于磁制冷 工作介質的磁熱效應，國內外的研究都集中在探索和開發在低場下具有強磁熱效應的室溫磁制冷材料。Half-Heusler合金就是近年來發現的新型磁制冷 材料之一。
　　Half-Heusler合金具有特殊的能帶結構。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，具有這種能帶結構的物質被稱為“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，因此其工業應用前景非常看好。目前，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構在高溫下多為Ni2In 型六角結構，而在低溫下則為TiNiSi型正交結構或立方結構。
　　Half-Heusler合金的結構轉變溫度多在室溫以上。為了通過合金結構相變增強磁熱效應，目前的研究工作主要是將合金的結構轉變溫度調整到室溫附近。研究表明，通過改變合金成分，可以達到調整合金相變溫度的目的。對于Half-Heusler磁制冷合金而言，合金成分的調節可分為三種方式。第一種方式調節合金中各元素之間的相對比例。由于構成Half-Heusler合金的三種元素的原子半徑不同，調節各元素的相對比例會使晶格產生畸變，進而影響低溫相與高溫相結構的相對穩定性，從而實現調節結構轉變溫度目的。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生局部改變，促使結構轉變溫度發生變化。第三種方式是摻雜適當濃度的間隙原子，使其在合金中形成富集區，從而提高某一結構的穩定性。
　　根據研究，一級磁相變可以使磁性轉變與結構轉變產生很強的耦合效應，從而使材料表現出巨磁熱效應。因此，為了實現室溫磁制冷，需要適當降低磁性原子之間的交換耦合效應，使合金的磁性轉變溫度降低到室溫附近。通過元素的替換、摻雜以及化學計量比的變化可以調節Half-Heusler合金的磁性轉變溫度，使其和結構相變溫度之間的偏差盡量縮小，從而為產生一級磁相變和巨磁熱效應創造條件。

---

上一篇文章：熱軋帶鋼產品分類及標準規格
下一篇文章：新日鐵公司改進高強度螺栓用鋼抗延遲斷裂性的措施