寧波材料所在場(chǎng)致相變材料的熱效應(yīng)研究方面取得系列進(jìn)展

　　隨著環(huán)境問(wèn)題和能源危機(jī)日益嚴(yán)峻，新型固態(tài)制冷技術(shù)以其綠色高效的制冷潛力獲得了各國(guó)研究者的關(guān)注。相比傳統(tǒng)的氣體壓縮制冷，利用固態(tài)相變材料的磁-熱-機(jī)械等能量轉(zhuǎn)換進(jìn)行制冷具有綠色環(huán)保、高效節(jié)能的特點(diǎn)。然而，當(dāng)前固態(tài)相變材料的發(fā)展存在兩大挑戰(zhàn)：一、機(jī)械加工性差、熱導(dǎo)低；二、使用單一外場(chǎng)激勵(lì)時(shí)，非完整路徑相變會(huì)導(dǎo)致相變潛熱有限。因此，多相復(fù)合材料以其高熱導(dǎo)、良好力學(xué)性能等特點(diǎn)而備受關(guān)注。另外，通過(guò)多場(chǎng)耦合增強(qiáng)相變熱效應(yīng)是推動(dòng)低能耗固態(tài)制冷技術(shù)發(fā)展的有力手段。當(dāng)?shù)痛艌?chǎng)或低應(yīng)力不能完全驅(qū)動(dòng)相變時(shí)，借助偏置應(yīng)力或磁場(chǎng)的激勵(lì)補(bǔ)充原驅(qū)動(dòng)場(chǎng)的作用，進(jìn)一步推動(dòng)相變發(fā)生，產(chǎn)生大的熱效應(yīng)。

　　現(xiàn)發(fā)現(xiàn)的固態(tài)相變材料中，鑭鐵硅合金以其大磁熵變、低成本、居里溫度可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)被認(rèn)為是最具有應(yīng)用前景的磁制冷材料之一。中國(guó)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(shí)驗(yàn)室針對(duì)室溫鑭鐵硅材料，在正分比成分的基礎(chǔ)上引入內(nèi)生的第二相，制備了LaFeCoSi/α-Fe雙相復(fù)合材料。研究結(jié)果表明，適當(dāng)?shù)卦黾覨e含量時(shí)，基體成分的變化提高了材料的熱導(dǎo)，內(nèi)生相起到了保持良好磁熱性能和提高力學(xué)性能的作用（Applied Physics Letters, 2015, 107, 152403；專(zhuān)利201510078240.8）。另外，還提出了氫化物與低熔點(diǎn)金屬混合熱壓成型技術(shù)，該復(fù)合材料制造方法顯著縮短了制備周期。通過(guò)控制熱壓溫度，獲得了相變溫度在1-17℃之間連續(xù)可調(diào)、熱導(dǎo)率為7W/mK、抗壓強(qiáng)度400兆帕的LaFeSiH/Sn復(fù)合材料，綜合性能超過(guò)了普遍采用的聚合物粘接磁熱復(fù)合體（Scripta Materialia, 2016, 120, 58；專(zhuān)利201510975703.0）。

　　與鑭鐵硅相比，磁性馬氏體相變鎳鐵鎵合金具有更好的力學(xué)性能，是一種高韌性材料。在單軸應(yīng)力的驅(qū)動(dòng)下，發(fā)生相變的同時(shí)伴隨著潛熱的釋放和吸收，表現(xiàn)出高潛熱和低滯后。最近，寧波材料所與上海大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)碩士生李揚(yáng)等采用光學(xué)浮區(qū)法制備了[420]取向的Ni54Fe19Ga27單晶，并在30兆帕的低臨界應(yīng)力驅(qū)動(dòng)下獲得了7.5K的可逆絕熱溫變，揭示了非穩(wěn)態(tài)動(dòng)力學(xué)變形條件與相變熱效應(yīng)的非線性?xún)?nèi)在關(guān)聯(lián)，提出通過(guò)優(yōu)化變形條件降低應(yīng)力滯后的有效途徑，為解決制冷效率和疲勞壽命等工程問(wèn)題提供理論基礎(chǔ)（Scientific Reports, 2016, 6, 25500）。另外，還發(fā)現(xiàn)通過(guò)機(jī)械訓(xùn)練的方法可以大幅降低超彈性應(yīng)力（Scripta Materialia, 2016, 114,1），這對(duì)于低應(yīng)力、大溫變彈熱材料的開(kāi)發(fā)非常有利。

　　此項(xiàng)研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目（51531008）和面上項(xiàng)目（51371184）、浙江省自然科學(xué)基金創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)（Y40111DA07）、杰出青年項(xiàng)目（LR14E010001）和面上項(xiàng)目（LY16E010002）的資助。

（左）NiMnSn合金變形時(shí)的紅外熱成像圖；（右）應(yīng)力滯后對(duì)應(yīng)變量的依賴(lài)關(guān)系