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发现La(Fe,Si)13基巨磁热效应材料

第一作者:胡凤霞(中科院物理所)
通讯作者:沈保根(中科院物理所)

成果简介:
与普通气体压缩制冷相比,以磁热效应为基础发展起来的磁制冷技术,具有绿色环保、高效节能等优点。高效磁热效应材料的研究不仅涉及一系列重要的物理问题,也关系到国家能源战略的需求及可持续发展。探索高效的大磁热效应材料是几十年来国际上材料研究的重要课题。

2000年,中科院物理所胡凤霞博士和沈保根研究员首次发现了一类新型 La(Fe,Si)13基大磁热效应材料,磁熵变值超过传统稀土材料Gd的2倍,阐明了巨大磁热效应来源于与之相伴的晶格负热膨胀和巡游电子变磁转变行为。作为该领域的突破,此重要成果优先发表在我国科技期刊Chinese Physics B 上。

La(Fe,Si)13基巨磁热材料的发现开拓了磁热效应研究的新方向,自我们首篇论文发表以来国内外已有160多个实验室相继开展了这方面的研究。La(Fe,Si)13基材料已成为目前国际上最受重视并在室温磁制冷样机上得到应用的三类材料之一。

La(Fe,Si)13巨磁热效应材料的发现为制冷技术的发展提供了理论与技术支持,也将推动室温磁制冷技术的实际应用。La(Fe,Si)13基大磁热材料的发现和相关机理研究获得2014年度陈嘉庚技术科学奖、2012年度国家自然科学二等奖和2010年度北京市科学技术奖一等奖。


团队介绍:

自1998年开始,由中国科学院物理研究所沈保根研究员带领的团队致力于磁热材料的研究。取得了一系列具有国际影响的原创性成果,主要有:发现了一类新型 La(Fe,Si)13 基大磁热效应材料,获得了La(Fe,Si)13基材料核心发明专利,截止目前为止获授权发明专利20余项(其中包括4项国际专利授权,美国2项,欧洲、日本各1项);揭示了大磁热效应与相变导致的晶胞体积突变以及巡游电子变磁转变之间的密切关系,成为以后寻找大磁热效应材料的判据;从理论和实验上证明了Maxwell关系不能简单用于一级相变相分离体系的磁熵变计算,给出了正确方法,解决了多年来国际上一直有争议的重要基础性问题。

美、日、欧多个国家的有关单位将La(Fe, Si)13基材料用于了样机试验,其中美国国家航天技术中心的样机试验表明,La(Fe, Si)13基材料的制冷能力超过 Gd 的 2 倍。

La(Fe,Si)13巨磁热效应材料的发现突破了原有磁熵变理论框架的局限,揭示了晶格、自旋等自由度间的竞争与磁相变间的关联、以及对磁热效应的影响规律,导致了新物理概念的产生,拓宽了磁性物理研究的内涵。La(Fe,Si)13化合物已成为目前国际上最受重视并在室温磁制冷样机上得到应用的主要材料之一。

研究成果为我国磁制冷技术的发展提供了理论与技术支持,具有非常好的发展潜力,将对解决环境以及能源问题发挥重要作用。相关成果获得2014年度陈嘉庚技术科学奖、2012年度国家自然科学二等奖和2010年度北京市科学技术奖一等奖。

参考文献:
Hu Feng-Xia et al., Chin. Phys. B 9, 550 (2000)

http://cpb.iphy.ac.cn/EN/abstract/abstract19927.shtml 

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