【知識】稀土磁致冷材料

本世紀二十年代末，科學家發現了磁性物質在磁場作用下溫度升高的現象，即磁熱效應。隨後許多科學家和工程師對具有磁熱效應的材料、磁致冷技術及裝置進行了大量的研究開發工作。到目前為止，20K以下的低溫磁致冷裝置在某些領域已實用化，而室溫磁致冷技術還在繼續研究攻關，目前尚未達到實用化的程度。

磁致冷材料是用於磁致冷系統的具有磁熱效應的物質。磁致冷首先是給磁體加磁場，使磁矩按磁場方向整齊排列，然後再撤去磁場，使磁矩的方向變得雜亂，這時磁體從周圍吸收熱量，通過熱交換使周圍環境的溫度降低，達到致冷的目的。磁致冷材料是指用於磁致冷系統的具有磁熱效應的一類材料，磁致冷材料是磁致冷機的核心部分，即一般稱謂的製冷劑或製冷工質。

低溫超導技術的廣泛應用，迫切需要液氦冷卻低溫超導磁體，但液氦價格昂貴，因而希望有能把液氦氣化的氦氣再液化的小型高效率製冷機。如果把以往的氣體壓縮—膨脹式製冷機小型化，必須把壓縮機變小，這樣將使製冷效率大大降低。因此，為了滿足液化氦氣的需要，人們加速研製低溫（4～20K）磁致冷材料和裝置，經過多年的努力，目前低溫磁致冷技術已達到實用化。低溫磁致冷所使用的磁致冷材料主要是稀土石榴石Gd3Ga5O12(GGG)和Dy3Al5O12(DAG)單晶。使用GGG或DAG等材料做成的低溫磁致冷機屬於卡諾磁致冷迴圈型，起始致冷溫度分別為16K和20K。

低溫磁致冷裝置具有小型化和高效率等獨特優點，廣泛應用於低溫物理、磁共振成像儀、粒子加速器、空間技術、遠紅外探測及微波接收等領域，某些特殊用途的電子系統在低溫環境下，其可靠性和靈敏度能夠顯著提高。

磁致冷是使用無害、無環境污染的稀土材料作為製冷工質，若取代目前使用氟里昂製冷劑的冷凍機、電冰箱、冰櫃及空調器等，可以消除由於生產和使用氟里昂類製冷劑所造成的環境污染和大氣臭氧層的破壞，因而能保護人類的生存環境，具有顯著的環境和社會效益。

1987年80多個國家參加簽署的《關於消耗臭氧層物質的蒙特利爾議定書》規定，為了防止生產和使用氟氯碳類化合物造成的大氣臭氧層的破壞，到2000年全世界將限制和禁止使用氟里昂製冷劑，我國於1991年6月加入這個國際公約並作出規定，到2010年我國將禁止生產和使用氟里昂等氟氯碳和氫氟氯碳類化合物。因此，需要加快研究開發無害的新型製冷劑或不使用氟里昂製冷劑的其他類型製冷技術。迄今，在有關這方面的研究開發中，發現磁致冷是製冷效率高，能量消耗低，無污染的製冷方法之一。從目前美國室溫磁致冷技術研究進展情況看，在3到5年內，室溫磁致冷技術有可能在汽車空調系統中得到實際應用之後，並將進一步開發家用空調和電冰箱等磁致冷裝置。

磁致冷所用的製冷材料基本都是以稀土金屬為主要組元的合金或化合物，尤其是室溫磁致冷幾乎全是採用稀土金屬Gd或Gd基合金。

目前，磁致冷材料、技術和裝置的研究開發，美國和日本居領先水準，這些發達國家都把磁致冷技術研究開發列為21世紀的重點攻關項目，投入了大量資金、人力和物力，競爭極為激烈，都想搶先佔領這一高新技術領域。


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