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固態(tài)相變材料中，通過磁場、力場等外場的激勵可以使熱與磁、機(jī)械等能量形式進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)制冷。然而此類材料體系，諸如磁彈效應(yīng)不足、多鐵性稀缺等問題限制了熱與其他形式能量的干擾，能量轉(zhuǎn)化率不足使材料的應(yīng)用進(jìn)入瓶頸階段。開發(fā)出規(guī)避這個本征缺陷的新材料，發(fā)展新機(jī)理以有效提高能量轉(zhuǎn)換效率，是攻克此類能量轉(zhuǎn)換難關(guān)的最有效途徑。為解決功能和結(jié)構(gòu)一體化難題，中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所稀土磁性功能材料實驗室一直致力于通過微觀組織調(diào)控和先進(jìn)制備加工技術(shù)優(yōu)化，以獲得支撐磁性和非磁性能的平衡要素點(diǎn)。鑭鐵硅作為典型的磁體積相變材料，磁場可以驅(qū)動熱、磁和結(jié)構(gòu)之間的能量轉(zhuǎn)化，以實現(xiàn)巨磁熱效應(yīng)。
鑄態(tài)鑭鐵硅在退火過程中，原子擴(kuò)散反應(yīng)的過程極慢，需要至少一周的退火時間才能形成鑭鐵硅1:13相。甩帶和速凝作為常見的快速凝固方式，可以細(xì)化晶粒，從而縮短退火時間。這種制備方式獲得的材料還具有組織和元素分布均勻的優(yōu)點(diǎn)。寧波材料所稀土磁性功能材料實驗室實現(xiàn)了高性能鑭鐵硅磁熱材料的公斤化制備，批量生產(chǎn)的速凝片經(jīng)過1天時間的退火，可基本獲得純相。速凝片破碎后通過聚合物粘接或金屬熱壓成型，批量獲得可用于制冷樣機(jī)的塊材或片材，對材料的規(guī)?；瘧?yīng)用具有重大意義。另外，為了實現(xiàn)材料與系統(tǒng)換熱流體之間更高效的熱傳輸，團(tuán)隊基于快速凝固，分別利用落管法和熔體抽拉技術(shù)制備了高比表面積的微尺寸球顆粒和絲狀材料，滿足不同器件結(jié)構(gòu)設(shè)計的需求。
在樣機(jī)系統(tǒng)中，為實現(xiàn)低磁場驅(qū)動高磁熱效應(yīng)，需要設(shè)計低硅含量的材料成分。但低硅含量的單相成分在相圖中區(qū)域極窄，很難合成。并且，較低硅含量的化合物需要更長的退火時間形成鑭鐵硅1:13相。團(tuán)隊通過相圖精確定位，找到一種富稀土鑭的非化學(xué)計量比成分范圍。發(fā)現(xiàn)在該類成分內(nèi)僅需要數(shù)小時即可快速形成鑭鐵硅主相，這將有利于縮短制備周期，節(jié)約批量化生產(chǎn)的成本。隨后，研究人員利用擴(kuò)散偶方法，對這種富稀土合金的相形成機(jī)理、相形貌和位相關(guān)系進(jìn)行了系統(tǒng)研究，發(fā)現(xiàn)了一種二元La5Si3過渡相使得主相生長為層片狀結(jié)構(gòu)，減小了擴(kuò)散距離，從而縮短退火時間。另外，主相的低硅含量也使得材料磁熱性能有所提高，在較低的驅(qū)動磁場下即能實現(xiàn)高磁熱性能，加速了其在制冷器件上應(yīng)用的工業(yè)化進(jìn)程。
在樣機(jī)中，磁熱材料的磁熱效應(yīng)伴隨著周期性磁場驅(qū)動的磁結(jié)構(gòu)相變產(chǎn)生。鑭鐵硅作為金屬間化合物，其本征脆性難以克服，相變時體積的不斷收縮膨脹也是對材料力學(xué)性能和服役周期的重大考驗。另外，樣機(jī)的制冷效率強(qiáng)烈依賴于材料與換熱流體的熱交換能力。團(tuán)隊在鑄態(tài)合金中引入內(nèi)生的第二相α-Fe，制備了α-Fe/La-Fe-Si雙相磁熱材料，可以加工成比表面積大的片材，在后續(xù)的吸氫處理中仍能保持初始形狀。所獲得的雙相氫化合物相比于單相合金，室溫導(dǎo)熱系數(shù)升至三倍，并保持良好的磁熱性能（1.9T下絕熱溫變5.5K）。更為重要的是，該種雙相合金的三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度為60MPa，是聚合物粘接體的兩倍，在經(jīng)歷10萬次磁場循環(huán)后仍能保持初始形狀。該結(jié)果初步達(dá)到了高磁熱、高導(dǎo)熱和高強(qiáng)度的磁工質(zhì)要求。
該系列工作可滿足不同的應(yīng)用需求，對材料的實用化具有重大意義。該系列工作刊登在金屬材料領(lǐng)域權(quán)威期刊Acta Materialia118 (2016) 44-53，Acta Materialia125 (2017) 506-512和Acta Materialia 150（2018）206-212上。本研究得到國家自然基金委重點(diǎn)項目和面上項目，及浙江省自然基金委的支持。 
LaFe11.6Si1.4的微觀形貌演變 |
