寬溫域Mn基反鈣鈦礦復合磁制冷材料的設計和制備

近年來(lái)磁制冷技術(shù)發(fā)展迅速，研制出了多種磁制冷材料，例如Gd及其合金[1,2]、La(Fe,Si)13基化合物[3~5]、(Mn,Fe)2(P,Si)基化合物[6,7]和反鈣鈦礦化合物[8~10]等 目前磁制冷材料用于基于埃里克森循環(huán)(Ericsson cycle)的磁制冷系統時(shí)必須滿(mǎn)足一定的條件，在工作溫區磁制冷材料的最大磁熵變值(-?SMmax)須恒定，即磁熵變與溫度((-?SM )-T)的關(guān)系曲線(xiàn)在工作溫區呈現“平臺”的形狀[11,12] 一級相變磁制冷材料雖然其磁熵變極值較大但是相變溫區較窄，(-?SM )-T曲線(xiàn)呈“尖峰”狀，不利于應用在埃里克森循環(huán)系統中 為了滿(mǎn)足埃里克森循環(huán)系統的應用條件，可用兩種方法調控材料的磁卡效應 一種方法是用元素摻雜改變材料的相變類(lèi)型，移動(dòng)和擴寬相變溫區[13~15]；另一種方法是把多種具有不同相變溫區的材料進(jìn)行物理復合，得到“平臺”狀磁熵變-溫度曲線(xiàn)[16,17] 唐永柏等[17]將三種不同居里溫度(TC )的LaFe11.6-Si1.4Hy合金物理復合，在磁場(chǎng)變化為2 T的情況下其(-?SM )-T曲線(xiàn)的半高寬約為48.7 K，得到一種“平臺”狀(-?SM )-T曲線(xiàn)的復合材料 反鈣鈦礦化合物的制備方法簡(jiǎn)單，成本低廉且無(wú)毒環(huán)保，但是還沒(méi)有將多種反鈣鈦礦化合物進(jìn)行物理復合制備寬溫域磁制冷復合材料 Mn基反鈣鈦礦化合物的分子式為Mn3AX，A為金屬元素，X為N或C原子，其空間群為Pm3ˉm，Mn、A和X原子分別占據立方結構的面心、頂角和體心位置 目前已經(jīng)發(fā)現多種體系的Mn基反鈣鈦礦化合物具有較大的磁卡效應，例如Mn3CuN[9,18]，Mn3SnC[8,19]，Mn3GaC[20,21] 但是這些較大磁卡效應的材料都是一級相變材料，相變溫區很窄 王鉑森等[8]報道了Mn3SnC在室溫附近(279 K)具有較大的磁卡效應(在4.8 T外加磁場(chǎng)下，-?SMmax=133 mJ/cm3·K(相當于17 J/kg·K))，但是發(fā)生磁卡效應的溫區只有10 K左右，一旦偏離居里溫度其磁熵變值大幅降低直至消失 對Mn3SnC的Mn、Sn位進(jìn)行了元素摻雜替換，可改善其磁卡效應[22~24] 對Sn位摻Co[24]或Mn[23]低含量摻雜相變溫區的擴寬不明顯且向低溫移動(dòng)，摻雜含量高時(shí)相變溫區大幅度擴寬但是磁熵變值卻大幅度降低 在反鈣鈦礦化合物中