非晶态Fe-Zr-B-Dy合金的制备与磁热性能

非晶态磁热合金材料可以在很宽的温度范围内实现较大的磁制冷容量,其中铁基非晶态磁热合金因其具有近室温的磁熵变区间和低廉的成本受到广泛关注.本文通过感应熔炼铜辊甩带的方法成功制备出了一系列Fe_89?xZr₇B₄Dy_x(x=1,2,3,4)非晶态合金,并对其非晶形成能力和磁热性能进行了系统测试和分析.随着Dy含量的增加,该合金的玻璃形成能力得到改善,居里温度从296 K增加到334 K.磁熵变峰值和制冷能力也随着Dy含量的增加单调增长,在3 T的外加磁场下,Fe85Zr7B4Dy4合金的最大磁熵变达到了2.45 J K^?1 kg^?1,制冷能力为235 J kg^?1,相对于三元Fe-Zr-B体系,同一磁场下的磁熵变峰值提高60%以上.该非晶态合金原材料成本低廉,其磁热性能随着成分变化可以调控,居里温度远低于玻璃转变温度,能够保证材料在使用过程中的结构稳定性,有成为近室温的磁制冷工质的潜力.     

Transition-metal-based magnetic refrigerants for room-temperature applications.

Magnetic refrigeration techniques based on the magnetocaloric effect (MCE) have recently been demonstrated as a promising alternative to conventional vapour-cycle refrigeration. In a material displaying the MCE, the alignment of randomly oriented magnetic moments by an external magnetic field results in heating. This heat can then be removed from the MCE material to the ambient atmosphere by heat transfer. If the magnetic field is subsequently turned off, the magnetic moments randomize again, which leads to cooling of the material below the ambient temperature. Here we report the discovery of a large magnetic entropy change in MnFeP0.45As0.55, a material that has a Curie temperature of about 300 K and which allows magnetic refrigeration at room temperature. The magnetic entropy changes reach values of 14.5 J K-1 kg-1 and 18 J K-1 kg-1 for field changes of 2 T and 5 T, respectively. The so-called giant-MCE material Gd5Ge2Si2 (ref. 2) displays similar entropy changes, but can only be used below room temperature. The refrigerant capacity of our material is also significantly greater than that of Gd (ref. 3). The large entropy change is attributed to a field-induced first-order phase transition enhancing the effect of the applied magnetic field.     

室温磁致冷的仿真与分析

室温磁致冷技术尚处于样机研制阶段,仿真分析可以简化该过程。借助有限元分析工具计算磁场分布,并将工质细化然后结合磁工质材料磁热特性计算工质微元完整循环中的热量变化,最后求和近似得到磁致冷装置的整体运行特性。针对一种简化室温磁致冷原理样机的Ericsson循环制冷过程进行详细的计算。仿真结果表明提高循环的制冷温跨可增大总回热量,但是制冷效率将会降低。该方法有助于综合评定室温磁致冷装置的设计效果、指导室温磁致冷机的研制过程。     

磁制冷循环与磁工质的选择原则

磁循环和磁工质的选择对于磁制冷的成败与否是至关重要的。本文的主要目的是讨论磁工质所必要的磁学和热学特性以及探讨适合于不同温区的磁循环。文章首先给出了铁磁或顺磁材料的随温度和外场而变化的磁熵的计算结果,以及此类材料的晶格熵随德拜温度而变化的关系。在熵分析的基础上,就可得出磁工质和磁循环的遣择原则。本文还讨论了分别适用于低于20K,20～77 K,近300K三温区的磁工质的选用。最后,文章指出,高效制冷工质和蓄冷器是获得室温磁制冷的关键所在。     

Magnetocaloric effect in Er-Al-Co bulk metallic glasses

A series of Er-Al-Co bulk metallic glasses (BMGs) have been prepared by the copper mold casting method. The glass forming ability and magnetocaloric effect (MCE) for these alloys have been investigated. The second-order magnetic transition from para-magnetic to ferromagnetic states takes place at about 9 K. These BMGs exhibit excellent MCE because of their large effective magneton number; Er56Al24Co20 BMG has a maximum entropy change and refrigeration capacity of 16.06 J kg-1 K-1 and 546 J kg-1,respectively...     

磁制冷技术和纳米磁制冷工质的研究进展

综述磁制冷技术的原理和磁制冷工质的研究现状 ,重点介绍了纳米磁制冷工质的研究进展.     

Magnetic refrigeration materials

Magnetic refrigeration has drawn much attention because of its greater efficiency and higher reliability than the traditional gas-cycle refrigeration technology. Recently, a kind of new materials with a giant magnetocaloric effect in the subroom temperature range, Gd5 (Six Ge1- x)4, was discovered, which boosts the search for high-performance magnetic refrigerants. However, the intermetallic compounds Gd5 (SixGe1 - x )4 belong to the first order transition materials; their performance in practical magnetic refrigeration cycles remains controversial. In this paper the developing tendency of the refrigerants are discussed on the basis of our work.     

室温磁制冷材料的研究现状

本文简要介绍了磁制冷的原理、历史,简述了磁热效应的表征,概述了近年来各室温磁制冷材料的研究进展及最新研究成果,展望了室温磁制冷材料的发展趋势。     

The giant magnetocaloric effect in Gd<Subscript>5</Subscript>Si<Subscript>2</Subscript>Ge<Subscript>2</Subscript> with low purity gadolinium

The giant magnetocaloric effect Gd5Si2Ge2 alloy was prepared with 99wt% low purity commercial Gd. Powder XRD and magnetic measurements showed that the Gd5Si2Ge2 alloy annealed at 1200℃ for 1h had a significant magnetic- crystallographic first order phase transition at about 270 K. The maximal magnetic entropy change is 17.55 J· kg^-1· K^-1 under a magnetic field change of 0-5 T. The distinct increase of magnetic entropy change belongs to the first-order phase transition from the orthorhombic Gd5Si4-type to the monoclinic Gd5Si2Ge2-type after high temperature heat-treatment.     

Magnetocaloric effect in Er-Al-Co bulk metallic glasses

A series of Er-Al-Co bulk metallic glasses (BMGs) have been prepared by the copper mold casting method. The glass forming ability and magnetocaloric effect (MCE) for these alloys have been investigated. The second-order magnetic transition from para-magnetic to ferromagnetic states takes place at about 9 K. These BMGs exhibit excellent MCE because of their large effective magneton number; Er56Al24Co20 BMG has a maximum entropy change and refrigeration capacity of 16.06 J kg-1 K-1 and 546 J kg-1,respectively,under the field of 50 kOe (10 kOe=795.775 kA/m) indicating that these BMGs are potential candidate magnetic materials for hydrogen liquefaction.     

Mn—Al—Fe系合金磁特性

基于室温磁制冷材料应具备的条件，讨论了Ｍｎ－Ａｌ－Ｆｅ系合金Ｋ相的磁性与成分间的关系。发现合金样品在退火前磁性与Ｆｅ含量变化主线性关系，退火后呈非线性关系．还从磁性方面讨论了该系合金作为室温磁制冷材料的可行性．     

相变蓄热器多温位释热特性模拟研究

针对翅片管式相变蓄热器多温位释热过程进行数值模拟,分析其多温位相变传热过程的放热特性。结果表明,蓄热器低温级相变材料温度的变化速率高于高温级相变材料温度的变化速率,这是因为蓄热器低温级制冷剂流量高于高温级制冷剂流量,且低温级制冷剂出口温度与相变材料的温差高于高温级。采用热焓法对单管蓄热器模型在第一类边界条件下的融化和凝固过程进行数值模拟,并与实验测得的数据进行对比,模拟分析蓄热器高、低温级液相率及温度变化情况,综合分析相变传热过程的蓄放热特性,为进一步优化蓄能除霜过程高、低温级能量分配提供理论基础。     

低磁场下获得巨磁热效应的GdSiGeZn合金

在研究Gd5Si2-xGe2Znx,Gd5Si2-zGe2-zZn2z系列合金的等温磁熵变和居里温度时发现,Zn的微量变化对合金的磁热性能影响很大.当x或者2z为0.001时,在1.5 T外加磁场变化下,其最大等温磁熵变分别为20.70 J/(kg.K)(x=0.001)和25.30 J/(kg.K)(2z=0.001),居里温度分别为284 K(x=0.001)和280 K(2z=0.001),其磁热性能远高于没有添加Zn元素的合金(5.03 J/(kg.K)).实验证明,微量元素Zn对Gd5Si2Ge2化合物的合金化处理,可使其在低磁场下的磁热效应得到巨幅提高,其最大等温磁熵变优于文献报道的铸锭合金Gd5(Si1-yGey)4及其他添加元素(如Ga,Sn,Cu,B,Al,Bi,Co,Fe,Ni,Mn,C,H等)替代Si或Ge时在5 T高外加磁场变化下的等温磁熵变.     

(La0.9Dy0.1)2/3Ba1/3Mn1-xAlxO3(x=0,0.05)氧化物的结构与磁性

【目的】为改善(La_(0.9)Dy_(0.1))_(2/3)Ba_(1/3)Mn_(1-x)Al_xO_3的磁热性能,研究掺杂Al对其晶体结构、居里温度、相变类型以及磁热性能的影响。【方法】采用固相反应法制备锰氧化物(La_(0.9)Dy_(0.1))_(2/3)Ba_(1/3)Mn_(1-x)Al_xO_3(x=0,0.05)样品,利用X射线衍射法分析样品的结构,用振动样品磁强计测量样品的磁性。【结果】所制备样品均为单相钙钛矿结构,属于菱方晶系,空间群为R-3c(No.167)。掺杂Al使样品居里温度由无掺杂的274K降低到248K,在外加磁场变化为20kOe时最大磁熵变由2.16J/(kg·K)降低到1.85J/(kg·K)。样品的铁磁-顺磁相变属于二级相变。采用双交换作用机制解释了居里温度和磁化强度的变化。【结论】非磁性元素Al替代Mn不改变其晶体结构,稍微降低了锰氧化物的磁热性能。     

船用二氧化碳制冷装置形式及制冷剂

介绍了船用制冷系统的基本形式以及船用制冷剂的发展与选择，确定船用CO2制冷装置应采取跨临界循环形式．与常用氟利昂类制冷工质的主要性能指标进行对比，认为CO2将是最具有竞争力的替代制冷剂．针对CO2物性变化特点，重新界定了临界区域．分析了回热和CO2热物性对COP的影响，并结合船舶特殊的运行环境，对制冷系统的设计提出了若干建议，分析结果和建议对于天然替代制冷剂在船舶上的应用具有重要参考价值。     

不可逆回热式磁Brayton循环制冷性能的理论及数值研究

基于统计理论推导的铁磁材料的磁热参数,建立了不可逆回热式磁Brayton循环数学模型.对于顺磁材料作工质的情形,获得了循环放热量QH、制冷量QC、回热量及性能系数δCOP的表达式的解析解.以铁磁材料钆作工质为例,数值研究了循环室温区的制冷性能,考察了归一化温度α、回热不平衡量QR及磁化过程不可逆度η对循环有效制冷量Qeff,C及δCOP的影响,并获得了不同外部磁场H1条件下循环最大温跨δT,max.数值结果显示:Qeff,C随α的增加而增加;当α≥0.6或QR≥0时,循环均能获得良好的制冷性能;磁化过程的不可逆因素会使得δCOP迅速下降.     

CO2混合物用于复叠制冷系统的性能

为了使R744在复叠式制冷系统中运行的最低温度突破三相点的限制，用R744与自然工质（如R170或R1150）混合组成二元混合物，使其突破R744的三相点温度，完全使用自然工质混合物替代R13，在复叠式制冷系统的低温环路中运行．通过建立固液平衡和气液平衡的模型，得到保证R744在200K不结晶的摩尔分数，并针对固定组分的二元混合物进行循环性能计算．计算结果表明，R744／R170的一种混合物在相同的冷凝和蒸发温度下与R13相比，压缩比相同，压力曲线非常接近，单位容积制冷量、单位质量制冷量和制冷系数相差不大，具有与R13相近的循环性能．质量比为2：8的R744／R170混合物是R13的理想的自然工质替代物．     

钙钛矿La0.7CexBa0.3-xMnO3的磁热性能研究

【目的】通过固相反应法制备La_(0.7)Ce_xBa_(0.3-x)MnO_3(x=0,0.05,0.10,0.15,0.20)的钙钛矿锰氧化物,研究Ce元素的不同掺杂量对原体系磁热性能的影响。通过Ce元素的掺杂,来调节原体系过高的居里温度以及改善体系的磁热性能。【方法】通过X射线粉末衍射的方式确定其单相结构,并使用振动样品磁强计对钙钛矿样品进行磁性能的测试。【结果】La0.7CexBa0.3-xMnO3(x=0,0.05,0.10,0.15,0.20)的居里温度分别为342.1K,319.8K,270.0K,244.3K和199.7K。在0~2T的外磁场下,该体系的最大磁熵变分别为2.54J/(kg·K),2.32J/(kg·K),2.51J/(kg·K),2.03J/(kg·K)和1.87J/(kg·K),且最大磁熵变都在居里温度附近。【结论】随着Ce元素掺杂量的增加,化合物居里温度逐渐降低;而最大磁熵变则呈先减小后增大又减小的趋势。同时由Arrott曲线判断这5个样品的相变都是二级相变。当Ce元素的掺杂量为0.05~0.10时,该体系的居里温度在室温附近,且最大磁熵变仍保持较大的值。     

Mn_（50）Ni_（39）Sn_（11-x）Al_x合金的磁相变及磁卡效应

Ni-Mn基铁磁Heusler合金的巨大磁卡效应使其在磁制冷方面具有良好的应用前景.磁熵变是磁卡效应的重要量度,根据麦克斯韦关系,磁熵变不仅与马氏体相变前后磁矩的变化大小△Msf有关,而且与马氏体相变温度跨度（Martensitic Transition Temperature Range,MTTR）有关.本文中,我们制备了Mn50Ni39Sn11△xAlx（x=0,1,2）系列合金样品,发现随着Al含量的升高,虽然△Msf减小,但MTTR随Al含量增加的减少更快,使得（△Msf/MTTR）值增大,从而获得较大的磁熵变△SM.以上结果表明除增大△Msf外,降低MTTR值也是提高材料磁卡效应的有效方法.     

应用R236fa作为制冷剂的喷射制冷系统性能分析

分析了R236fa工作介质的特点,研究了其作为喷射制冷系统制冷剂的适用性.通过对系统的热力学分析计算,比较R141b、R123、R134a和R236fa作为喷射制冷系统制冷剂的工作特性,得出了R236fa作为喷射制冷系统工作介质的优点和特点.给出了以R236fa作为制冷剂的喷射制冷系统在不同工作条件下的运行性能.重点分析了以R236fa作为工作介质的喷射制冷系统的泵功率、COP和喷射器关键几何尺寸.当系统制冷量为1 000kW时,最大泵功率仅为58kW,混合室直径仅为152 mm,COP最大可达到0.35.研究结果表明,以R236fa作为制冷剂的喷射制冷系统具有更好的经济性,并且在大型化制冷系统的设计、加工和制造中具有明显的优势.