具有強磁晶耦合和大熵變的磁制冷材料一般呈現出較大的磁熱相變滞後(hòu)，限制材料對(duì)磁場的響應速度，導緻能(néng)量損失，縮短材料服役命。以往大部分研究采用金屬複合、聚合物粘接、設計多孔材料等方法，通過(guò)在磁制冷材料的晶粒間添加緩沖層來減小相變滞後(hòu)。但是這(zhè)些增相或增孔的組織調控技術很難徹底消除磁制冷材料的滞後(hòu)，并且添加增強相會弱化磁制冷材料的磁熱效應。因此，構建相變滞後(hòu)新原理，在不削弱磁相變材料的制冷能(néng)力的前提下消除本征滞後(hòu)是推動磁制冷技術應用的重要方向(xiàng)之一。

　　中國(guó)科學(xué)院甯波材料技術與工程研究所磁性相變材料團隊和浙江大學(xué)國(guó)家電子顯微鏡中心教授餘倩合作，提出一種(zhǒng)減小La-Fe-Si磁制冷材料相變滞後(hòu)的新方法。輕稀土元素亞族中，Ce元素與La元素的電負性與原子尺寸最爲接近，因此Ce可以在La-Fe-Si中以較大的固溶度替代La。在摻雜Ce後(hòu)，稀土原子周圍的Fe-Fe鍵拉長(cháng)，局域環境發(fā)生變化。而團隊前期的同步輻射實驗直接證實了稀土原子局域環境影響著(zhe)稀土原子與氫原子之間的價電子轉移并決定容氫能(néng)力大小。因此，本工作通過(guò)Ce和H元素共摻雜方法，在納米尺度下調控La-Fe-Si磁制冷材料的微觀組織并基本消除其相變滞後(hòu)。在La-Fe-Si中摻雜稀土Ce替代La後(hòu)，由于Ce⁴⁺與La³⁺的化合價和尺寸差異，La-Ce-Fe-Si基體中産生大量點缺陷。随後(hòu)對(duì)La-Ce-Fe-Si進(jìn)行氫化處理，在晶格内部引入填隙H原子。在充氫過(guò)程中，H原子在缺陷處富集并導緻内應力在晶粒中儲存，從而産生巨大的應變能(néng)，使La-Ce-Fe-Si-H晶粒内生成(chéng)自适應的錯配缺陷，晶粒細化并析出大量5～50nm尺度且與主相晶體結構相同的納米團簇。納米晶界處的晶格和磁性無序降低了相變能(néng)壘，在晶粒内部廣泛分布的納米晶界爲主相提供了大量形核點位，增強了主相的相變形核能(néng)力。

　　另外，主相内部晶格的高度有序有利于新相的快速生長(cháng)。因此，La-Ce-Fe-Si-H合金獨特的微觀組織可以將(jiāng)材料的滞後(hòu)能(néng)量損失減小98%。此外，納米多晶化的合金仍然具有強一級相變，這(zhè)賦予了其優異的磁制冷能(néng)力。因此，納米晶化能(néng)在不稀釋磁熱效應的情況下，通過(guò)顯著降低材料的滞後(hòu)來提升材料的循環制冷能(néng)力和工作壽命。納米晶化的La-Ce-Fe-Si-H合金具有2.23 K的絕熱溫變（1.3 T），14 J kg^-1 K^-1的等溫熵變以及89.4 J kg^-1的可循環制冷量（2T）。在10萬次磁場循環後(hòu)，溫變僅衰減約8%，基本滿足了La-Fe-Si合金在磁制冷機中循環穩定性的要求。這(zhè)種(zhǒng)基于共摻雜的内應力調控微組織的方法，對(duì)稀土基磁制冷材料的組織性能(néng)設計具有重要啓發(fā)作用，也爲開(kāi)發(fā)其它高性能(néng)稀土基磁性材料提供了創新思路。

　　本研究工作受國(guó)家重點研發(fā)計劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、甯波自然科學(xué)基金和“科技創新2025”重大專項資助，相關成(chéng)果發(fā)表在Acta Materialia (2021, vol.207, p116687) 。

1. 母相與納米晶的高角度環形暗場像及結構示意圖 (b)Ce/H共摻雜前後(hòu)磁化曲線圖，(陰影面(miàn)積代表滞後(hòu)損失) (c) 納米多晶La-Ce-Fe-Si-H合金循環十萬次絕熱溫變衰減狀态。