高效热-磁-电能量转化相变材料的机理研究及器件设计

【作者】 张虎； 于子原； 陈浩东； 吉山； 谢珑珑； 刘明泽； 胡凤霞； 沈保根；

【机构】 北京科技大学材料科学与工程学院； 中国科学院物理研究所；

【摘要】 磁相变合金是一种可实现磁-热-电能量转化的特殊材料,既可用于新型余热回收热磁发电,又可用于绿色磁制冷,正是符合节能环保要求的理想材料。近年来,科研人员不断探索高效磁相变能量转化合金,但是鲜有材料实现应用示范。阻碍这些磁相变合金发展的关键挑战是磁相变的磁-热-电能量转化机理不清晰,即微观磁/结构有序度变化如何导致宏观磁-热-电能量转化的物理本质尚未弄清,导致普遍存在能量转化效率低、低场磁热效应小、合金高脆性易腐蚀等问题。我们聚焦磁相变合金的磁-热-电能量转化机理这一基本科学问题,阐明了热磁发电的热-磁-电转化机理,基于相变调控成功研制出<100℃低品位余热温区的高效低滞热磁发电材料,首创磁热开关(magnetocaloric switch)实现磁通反转,提升发电功率密度3个数量级[1]。同时,建立了磁-晶多有序度调控磁热效应的新机制,通过磁-结构耦合相变获得2 T低场下3倍于传统Gd(4.5 J/kg K)的磁熵变15 J/kg K,利用晶格-磁矩的强关联择优取向开辟了织构多晶的旋转磁热效应新方向[2]。在此基础上,提出了表/界面强化修饰克服高脆性易腐蚀的新方法,通过表面细化晶粒和界面粘接强化克服磁相变合金高脆性,利用机器学习获得表面钝化缓蚀剂,研制出高强度、高导热、高耐蚀的磁相变合金[3],成功实现在磁制冷样机的应用示范。更多还原