固态相變材料中，通過(guò)磁場、力場等外場的激勵可以使熱與磁、機械等能(néng)量形式進(jìn)行相互轉換，實現制冷。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(néng)量的幹擾，能(néng)量轉化率不足使材料的應用進(jìn)入瓶頸階段。開(kāi)發(fā)出規避這(zhè)個本征缺陷的新材料，發(fā)展新機理以有效提高能(néng)量轉換效率，是攻克此類能(néng)量轉換難關的最有效途徑。爲解決功能(néng)和結構一體化難題，中國(guó)科學(xué)院甯波材料技術與工程研究所稀土磁性功能(néng)材料實驗室一直緻力于通過(guò)微觀組織調控和先進(jìn)制備加工技術優化，以獲得支撐磁性和非磁性能(néng)的平衡要素點。镧鐵矽作爲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(néng)量轉化，以實現巨磁熱效應。
鑄态镧鐵矽在退火過(guò)程中，原子擴散反應的過(guò)程極慢，需要至少一周的退火時間才能(néng)形成(chéng)镧鐵矽1:13相。甩帶和速凝作爲常見的快速凝固方式，可以細化晶粒，從而縮短退火時間。這(zhè)種(zhǒng)制備方式獲得的材料還(hái)具有組織和元素分布均勻的優點。甯波材料所稀土磁性功能(néng)材料實驗室實現了高性能(néng)镧鐵矽磁熱材料的公斤化制備，批量生産的速凝片經(jīng)過(guò)1天時間的退火，可基本獲得純相。速凝片破碎後(hòu)通過(guò)聚合物粘接或金屬熱壓成(chéng)型，批量獲得可用于制冷樣(yàng)機的塊材或片材，對(duì)材料的規模化應用具有重大意義。另外，爲了實現材料與系統換熱流體之間更高效的熱傳輸，團隊基于快速凝固，分别利用落管法和熔體抽拉技術制備了高比表面(miàn)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(yàng)機系統中，爲實現低磁場驅動高磁熱效應，需要設計低矽含量的材料成(chéng)分。但低矽含量的單相成(chéng)分在相圖中區域極窄，很難合成(chéng)。并且，較低矽含量的化合物需要更長(cháng)的退火時間形成(chéng)镧鐵矽1:13相。團隊通過(guò)相圖精确定位，找到一種(zhǒng)富稀土镧的非化學(xué)計量比成(chéng)分範圍。發(fā)現在該類成(chéng)分内僅需要數小時即可快速形成(chéng)镧鐵矽主相，這(zhè)將(jiāng)有利于縮短制備周期，節約批量化生産的成(chéng)本。随後(hòu)，研究人員利用擴散偶方法，對(duì)這(zhè)種(zhǒng)富稀土合金的相形成(chéng)機理、相形貌和位相關系進(jìn)行了系統研究，發(fā)現了一種(zhǒng)二元La5Si3過(guò)渡相使得主相生長(cháng)爲層片狀結構，減小了擴散距離，從而縮短退火時間。另外，主相的低矽含量也使得材料磁熱性能(néng)有所提高，在較低的驅動磁場下即能(néng)實現高磁熱性能(néng)，加速了其在制冷器件上應用的工業化進(jìn)程。
在樣(yàng)機中，磁熱材料的磁熱效應伴随著(zhe)周期性磁場驅動的磁結構相變産生。镧鐵矽作爲金屬間化合物，其本征脆性難以克服，相變時體積的不斷收縮膨脹也是對(duì)材料力學(xué)性能(néng)和服役周期的重大考驗。另外，樣(yàng)機的制冷效率強烈依賴于材料與換熱流體的熱交換能(néng)力。團隊在鑄态合金中引入内生的第二相α-Fe，制備了α-Fe/La-Fe-Si雙相磁熱材料，可以加工成(chéng)比表面(miàn)積大的片材，在後(hòu)續的吸氫處理中仍能(néng)保持初始形狀。所獲得的雙相氫化合物相比于單相合金，室溫導熱系數升至三倍，并保持良好(hǎo)的磁熱性能(néng)（1.9T下絕熱溫變5.5K）。更爲重要的是，該種(zhǒng)雙相合金的三點彎曲強度爲60MPa，是聚合物粘接體的兩(liǎng)倍，在經(jīng)曆10萬次磁場循環後(hòu)仍能(néng)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(duì)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(guó)家自然基金委重點項目和面(miàn)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
（稀土實驗室 邵豔豔 劉劍 劉延豐 王坤）
