作为传统蒸气压缩制冷的替代技术，以磁制冷（magnetocaloric refrigeration）为代表的新型固态相变制冷技术近年来发展迅猛，各类新材料、新结构与新器件的报道屡见不鲜，并以其高效、低噪、体积紧凑、无温室气体释放等优点展现出极大应用潜能。
基于磁热效应的磁制冷技术一般利用磁场驱动磁性材料相变，通过释放和吸收巨大的相变潜热，使材料本身温度改变，达到制冷目的。
目前最广泛研究的磁制冷工质是La-Fe-Si合金，其制备成本低廉、无毒、在2T磁场下能够产生5-7 K的大绝热温变，并且相变温度范围可通过引入间歇氢原子等手段在190-360 K 范围内调节。
但是，金属间化合物的本征脆性使其加工成型能力不足，而为实现高效磁制冷循环，要求将磁制冷工质加工成薄片、丝状等特定形状以提供大的换热面积和流体快速换热。
以往稀土基磁制冷合金的开发过程中，研究者往往通过树脂或金属复合粘接的方法提升材料加工成型性能，但这种方法带来许多弊端，其中最不能忽视的就是粘结剂对材料磁热效应的稀释。
最近课题组首次采用自由锻造塑性成型La-Fe-Si合金，可直接获得厚度小于5毫米的合金薄片，经过短时退火后可在2 T磁场下产生14 J/kg K的磁熵变和5.7 K的绝热温变。
通过透射电子显微镜观察发现，尽管富稀土相在塑性变形过程中破碎，但合金中大量存在的α-Fe枝晶可作为塑性相网络协调变形，这赋予了合金优异的塑性成型性能。
此外，在合金中存在的大量位错亚结构及变形织构（图1）储存了应变能，在退火过程中促进元素扩散，在短时间内可生成无畸变的磁热功能相，保持了合金磁热效应。
另外，传统磁制冷工质只具有各向同性的导热能力，这是源自于其随机且等轴状的组织；而在经过塑性变形的La-Fe-Si合金中，高导热α-Fe相以垂直锻造方向定向排列，由此获得了在面内和垂直平面方向上各向异性的热导率，实现了磁热材料定向导热性能，使得未来进一步增强磁制冷回热器的换热效率和制冷能力成为可能。
这种基于塑性变形手段调控磁热材料组织与性能的研究，对稀土基磁制冷材料的成型与组织性能设计具有重要启发作用，也为开发新型定向导热磁制冷材料提供了创新思路。
该研究工作合作团队包括西安建筑科技大学和内蒙古师范大学，受到国家重点研发计划资助（2017YFB0702703），成果最近发表在Acta Materialia (2020, v.187, p.1) 上。
图1. (a)La-Fe-Si合金铸态组织、(b-c)变形组织、(d)变形织构极图与(e)变形后小角度晶界分布
文章来源：稀土磁性功能材料实验室
作者：欧阳亦 刘剑
