稀土磁致冷材料的应用和研究现状

磁致冷是指以磁性材料为工质的一种全新的制冷技术，其基本原理是借助磁致冷材料的磁热效应（magnetocaloric effect，MCE），即磁致冷材料等温磁化时向外界放出热量，而绝热退磁时从外界吸取热量，达到制冷的目的。磁致冷材料是用于磁致冷系统的具有磁热效应的物质，其致冷方式是利用自旋系统磁熵变的致冷，磁致冷首先是给磁体加磁场，使磁矩按磁场方向整齐排列，然后再撤去磁场，使磁矩的方向变得杂乱，这时磁体从周围吸收热量，通过热交换使周围环境的温度降低，达到致冷的目的。磁致冷材料是磁致冷机的核心部分，一般称为制冷剂或制冷工质。与传统制冷相比，磁致冷单位制冷效率高、能耗小、运动部件少、噪声小、体积小、工作频率低、可靠性高以及无环境污染，因而被誉为绿色制冷技术。

磁致冷的研究可追溯到19世纪末，1881年，Wa Aurg首先观察到金属铁在外加磁场中的热效应；1895年，P.Langeviz发现了磁热效应；1926年和1927年，Debye和Giauque两位科学家分别从理论上推导出可以利用绝热去磁制冷的结论后，磁致冷技术得以逐步发展。

20世纪30年代，利用顺磁盐作为磁致冷工质，采用绝热去磁方式成功地获得毫升量级的低温；20世纪80年代，采用（GGG）型的顺磁性石榴石化合物成功地应用于1.5～15K的磁致冷；20世纪90年代，采用磁性Fe离子取代部分非磁性Gd离子，由于H离子与Gd离子间存在超交换作用，使局域磁矩有序化，构成磁性的纳米团簇，当温度大于15K时，其磁熵变高于GGG，从而成为15～30K温区最佳的磁致冷工质。

1976年，布朗首先采用金属Gd为磁致冷工质，在7T磁场下实现了室温磁致冷的试验。但由于采用超导磁场，无法进行商品化。20世纪80年代以来，人们对磁致冷工质开展了广泛的研究工作，但磁熵变均低于Gd。1996年，在La-Ca-Mn-O含钛矿化合物中获得磁熵变大于Gd的突破。1997年报道Gd5（Si2Ge2）化合物的磁熵变可比金属Gd的高出1倍。高温磁致冷正一步步走向实用化，据报道，1997年美国已研制成以Gd为磁致冷工作的磁致冷机。(www.xing528.com)

在工业生产和科学研究中，人们通常把人工致冷分为低温和高温两个温区，把制取温度低于20K的称为低温致冷，高于20K的称为高温致冷。在低温区，超导技术的发展和应用要求具有体积小、质量轻、效率高的制冷装置；在高温区（尤其在室温区），由于传统气体致冷工质使用的氟利昂气体对大气中臭氧层有破坏作用而被国际上所禁用，要求发展新型无环境污染的制冷技术。而磁致冷在这方面的优势促使其成为引人瞩目的国际前沿研究。

低温超导技术的广泛应用，迫切需要液氦冷却低温超导磁体，但液氦价格昂贵，因而希望有能把液氦汽化的氦化再液化的小型高效率制冷机。如果把以往的气体压缩膨胀式制冷机小型化，必须把压缩机变小，这样将使制冷效率大大降低。因此，为了满足液化氦气的需求，人们加速研制低温（4～20K）磁致冷材料和装置，经过多年的努力，目前低温磁致冷技术已达到实用化。

目前，磁致冷材料、技术和装置的研究开发，美国和日本居领先水平，这些发达国家都把磁致冷技术研究开发列为21世纪初的重点攻关项目，投入了大量资金、人力和物力，竞争极为激烈，都想抢先占领这一高新技术领域。