达姆施塔特工业大学：磁制冷！一种极具潜力的制冷技术

概要：研究人员提出基于特殊合金的“磁记忆”的冷却循环的想法，为制冷技术提供解决方案：使用磁场中的磁性材料进行制冷。

随着气候变暖，人口密度的迅速增长以及人们对生活质量要求的不断提高，在全球范围内制冷能源需求比加热要大得多。困扰当今，制冷系统的另一个问题是大多数冷却剂会造成环境污染和有损健康。研究人员提供一种新的解决方案：在磁场中使用磁性材料进行制冷。 达姆施塔特工业大学（TU）Darmstadt和Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf（HZDR）的研究人员提出基于特殊合金“磁记忆”的冷却循环的想法。相关的初步实验结果现已发表在Nature Materials杂志上。 该项目由欧洲研究理事会（ERC）资助。

金属的磁性能在加热或冷却时会发生变化。例如，铁在768摄氏度以下只是铁磁性，镍的居里转变温度是360摄氏度，达姆施塔特工业大学功能材料的Oliver Gutfleisch教授说，”相反，一些合金在加热时会变成铁磁性。这种相变与所谓的磁热效应有关，当这些形状记忆合金刚好放置在低于其转变温度的外部磁场中时，它们会自发地改变磁序并迅速降温。磁场越强，它们就越容易冷却。”

德累斯顿高磁场实验室（HLD）的Tino Gottschall博士和他的同事们研究了不同的形状记忆合金及其特性：“磁场还可以改变合金的其他特性 ，例如密度，这就是为什么有些合金其体积会增加的原因。“ 物理学家发现外部施加的压力确实可以逆转磁化过程，导致合金升温。

轻微压力，影响很大

巴塞罗那大学的Antoni Planes教授和LluísMañosa教授成功地提供了实验证据，他们在实验中使用了镍，锰和铟的合金，发现可以在室温下发生转换。研究人员使用迄今已知的最强永磁体产生磁场， 除铁和硼外还含有稀土金属钕。 它们可以产生高达2特斯拉通量密度的磁场 ，比地球磁场强40000倍。“在这样的条件下，我们的合金冷却了几度，”Gottschall解释道。 “我们在HLD上进行的测量表明，只需毫秒级，磁场中已足以进行永久性转换。”

在六步热滞循环中，研究人员从磁场中移除了冷却元件，磁场依然保持磁化。 在步骤3中，散热器与待冷却的物品接触并吸收其热量。 如果材料恢复到其原始温度，合金还会保持磁性， 这可以通过机械压力来补救，在步骤4中，辊子压缩形状记忆合金。 在压力下，它会切换到更密集的非磁性形式，并在此过程中加热。 当在步骤5中移除压力时，材料保持其状态并保持消磁。 在最后一步中，合金将热量释放到环境中，直到它恢复到初始温度并且冷却循环可以重新开始。

图为：六步热滞循环与传统磁热制冷循环相比

昂贵的原料

“就在几年前，具有磁记忆的合金被认为是不可用的，因为它们只能在磁场中冷却一次，”Gutfleisch解释道。“因此，全球研究的焦点在于那些没有记忆效应的材料。但是，根据这一原则制造冰箱的所产生最大的成本是永磁体，在可逆磁化的情况下，只要冷却元件暴露在磁场中，冷却效果就会持续。即使在最好的情况下，只能保持原冷却效果的一半。冷却液必须放在磁铁之间。这意味着你需要的永磁体是冷却介质的四倍。钕磁铁是最有效的，但它们也是市场上最昂贵的。此外，稀土金属也是关键原材料，但是需要大量的稀土金属。已知最大的矿床位于中国，但其开采造成了相当大的环境污染。

此外。电磁铁不能用于磁冷却。这是因为物理原因造成其效率水平将低于蒸汽压缩，蒸汽压缩用于数十亿台冰箱和空调。然而，研究人员确信这种冷却技术不再具有前景。”Gottschall解释道， “根本没有合适的冷却液，今天常用的冷却剂作为传热介质非常有效，但它们的温室效应比二氧化碳高出一千倍。欧洲大部分产品的生产许可证将在不久的将来到期。丙烷或丁烷是有效的冷却剂，但与空气接触形成高度爆 炸性的混合物。氨是有毒和腐蚀性的。二氧化碳作为冷却剂并不是特别有效。”

稀土可以被替代

Oliver Gutfleisch也相信固体冷却剂也将逐渐替代传统冷却剂。 “我们已经能够证明形状记忆合金非常适合冷却循环。”功能材料专家说道，“我们需要的钕磁铁不多，但仍能产生更强的磁场，并产生相应更大的冷却效果。”到2022年，他打算在达姆施塔特工业大学建造一个演示器，可以估算实际条件下的实际制冷量和工艺的能效。为此，他获得了欧洲研究理事会的ERC高级补助金，五年内总额250万欧元。达姆施塔特工业大学与HZDR之间的合作有助于使该原理适合大规模使用。与此同时，我们发现合金具有我们所需的性能，包括大的磁热效应，不使用任何稀土或其他关键原料材料。Tino Gottschall说，他想在HLD探索这些材料的物理极限。


原文来自于sciencedaily，原文题目为：Keep cool: Researchers develop magnetic cooling cycle，由材料科技在线团队汇总整理。