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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、機械等能量形式進行相互轉換，實現(xiàn)制冷。然而此類材料體系，諸如磁彈效應不足、多鐵性稀缺等問題限制了熱與其他形式能量的干擾，能量轉化率不足使材料的應用進入瓶頸階段。開發(fā)出規(guī)避這個本征缺陷的新材料，發(fā)展新機理以有效提高能量轉換效率，是攻克此類能量轉換難關的最有效途徑。為解決功能和結構一體化難題，中國科學院寧波材料技術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控和先進制備加工技術優(yōu)化，以獲得支撐磁性和非磁性能的平衡要素點。鑭鐵硅作為典型的磁體積相變材料，磁場可以驅動熱、磁和結構之間的能量轉化，以實現(xiàn)巨磁熱效應。
鑄態(tài)鑭鐵硅在退火過程中，原子擴散反應的過程極慢，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。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，批量生產的速凝片經過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的塊材或片材，對材料的規(guī)?；瘧镁哂兄卮笠饬x。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，團隊基于快速凝固，分別利用落管法和熔體抽拉技術制備了高比表面積的微尺寸球顆粒和絲狀材料，滿足不同器件結構設計的需求。
在樣機系統(tǒng)中，為實現(xiàn)低磁場驅動高磁熱效應，需要設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。團隊通過相圖精確定位，找到一種富稀土鑭的非化學計量比成分范圍。發(fā)現(xiàn)在該類成分內僅需要數(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)約批量化生產的成本。隨后，研究人員利用擴散偶方法，對這種富稀土合金的相形成機理、相形貌和位相關系進行了系統(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構，減小了擴散距離，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用的工業(yè)化進程。
在樣機中，磁熱材料的磁熱效應伴隨著周期性磁場驅動的磁結構相變產生。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性能和服役周期的重大考驗。另外，樣機的制冷效率強烈依賴于材料與換熱流體的熱交換能力。團隊在鑄態(tài)合金中引入內生的第二相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彎曲強度為60MPa，是聚合物粘接體的兩倍，在經歷10萬次磁場循環(huán)后仍能保持初始形狀。該結果初步達到了高磁熱、高導熱和高強度的磁工質要求。
該系列工作可滿足不同的應用需求，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域權威期刊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 |
