磁制冷材料：挖掘软资本优势，加强协同创新
2015/10/9 千人智库
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文/本刊记者许苏
随着人类不断地发展，资源与环境的矛盾越来越严重，进入21世纪，世界各国对节能环保越来越重视，人们不断探索并试图寻找一些既节能又环保的材料，以满足社会持续发展的需求，此时新型磁制冷技术逐渐引起关注，由于此种材料既环保又高效节能的特性，很快成为了各国研发的重点。早在1998年4月，美国宇航局的研究人员就在《Science》杂志上提到：磁制冷技术可以媲美瓦特发明蒸汽机，它将引发一场制冷行业的革命。在这样的背景下，稀土磁热、磁电、高频等磁性材料具有重要的应用前景。
中国是世界上稀土资源最丰富的国家，储量和产量均居世界首位。依托资源优势，我国在稀土磁性功能材料的研究方面已经拥有国际领先水平的成果，其中，具有自主知识产权的镧铁硅基化合物被国际制冷领域公认为最理想的室温磁制冷材料之一。
“我国在磁热效应基础研究、成分专利、原材料资源等方面具有很强的软资本优势，但协同创新效应不明显，材料深加工能力较弱，造成磁制冷技术整体发展较发达国家落后。目前，关于磁制冷的基础研究正在进一步深入，这些年，也有越来越多的国内外企业参与进来，如美国通用电气、中国海尔集团、韩国三星电子等，有力地推动了磁制冷的市场化进程，但民用化进程还需要很长时间的积淀。”国家“青年千人计划”专家、中科院宁波材料所(以下简称“宁波材料所”)研究员刘剑博士在接受本刊记者采访时如是说。
满足环保制冷需求，高性能材料是关键
制冷技术与人们的生活息息相关，食品保鲜、空气调节、低温处理……如今，制冷技术广泛应用于人类的生活和生产之中。事实上，制冷的想法由来已久，早在人工制冷开展以前，人类就已经知道利用天然冰雪在简易装置中营造低温环境。中国、埃及和希腊等国家早期的历史对制冷也有所记载，如《诗经》中就有“凿冰冲冲，纳于凌阴”的句子，反映了当时人类储藏天然冰的情况。
制冷的应用范围主要包括室温制冷、低温制冷和超低温制冷三类。而我们日常生活中接触到的大多是室温制冷，最常见的是冰箱和空调，还有传统和简易的冰块制冷，“制冷作为一门科学技术，一般要求可‘循环’，即要有冷热端和换热。冰块冷冻是一次性的，因此不是我们研究的主要对象。”刘剑解释道。他这里所指的制冷技术，主要包括两个方面：一是气体压缩制冷。二是非气体压缩制冷，也就是所谓的“固态制冷技术”。
传统的气体压缩制冷，主要是指含烃制冷剂，我们广为熟知的氟利昂就是一种制冷剂。然而使用氟利昂会破坏臭氧层，紫外线无遮挡地辐照地球，对各种生物都有致命危害，现在已基本停用。其后人们不断更新含烃制冷剂，氟利昂的替代物氢氟烃发展至今已经有好几代了，对温室效应的影响也有所减弱，但仍然无法满足当前日益“苛刻”的节能环保需求。所以这两种材料在节能环保方面均不具有优势。
磁制冷属于非气体压缩制冷的范畴，是一种以磁性材料为工质、基于磁热效应的制冷技术。玩过磁铁的人一定有过这样的体验，我们可以用棒状磁铁吸引大金属片，大金属片可以带起小金属片，在这样的过程中，就不经意地给金属加热了，这就是所谓的“磁热效应”。这听起来像是提供了更好的加热方法而非制冷手段，但事实上磁热效应是双向的，如果一块金属持续受到磁场的影响，去掉磁场，金属便会冷却下来。
“不同于传统的气体制冷，磁制冷的优势在于完全不需要化学制冷剂，磁性固体材料在‘封闭’磁场中往复运动，材料内部的结构发生变化，从而引起温度变化，这样就可以循环制冷。用以热交换的介质是无毒的水或有机溶剂。”刘剑分析，除了绿色环保外，高制冷效率也是磁制冷的一大优势，理论上可以达到60%的能量转换率，超过了传统气体制冷的45%。
作为磁制冷技术的关键部分，磁制冷材料是整个制冷系统的核心部分。据不完全统计，目前发现的室温磁制冷材料有100多种。为了满足制冷系统的需要，对材料的性能要求很苛刻，分为磁性和非磁性两个方面。“磁性要求具体表现为在加磁和去磁的过程中不能存在能量损耗，否则能量转换效率会更低。非磁性的要求更多，包括较高的热导率和电阻率、机械性能良好、一定的抗腐蚀性、价格低廉等。”刘剑认为，由于磁制冷材料要考虑的问题很全面，完全可以作为一门学科来培养相关人才。
中国稀土资源丰富，材料实用价值亟待挖掘
在空间探测和科学仪器装置冷却上，磁制冷有无可替代的优势，因此，磁制冷已经成为当前国内外研究的热点。欧美在磁制冷材料、技术和装置的研究开发领域居世界领先水平，美国的磁制冷机已经达到千瓦级功率水平，丹麦、英国、法国和加拿大的磁制冷机也向紧凑型发展，在温度跨度上具有明显优势，成本也与市场需求接近。“我国在磁制冷材料物性研发和样机研制上起步并不晚，但对于材料加工的重视程度不如欧美，很难制备出厚度低于半毫米的磁散热片。另外，国内磁制冷研究全链条设计不够，中游的材料加工与下游器件配合度较差。”刘剑分析，这可能与国家宏观统筹布局有关，国内通常只有碎片化和同质化的研究，没有以应用需求为牵引。相反，国外更注重多学科交流，比如欧盟连续启动两轮第七框架研究，把材料计算、材料加工和样机设计的研发机构和公司汇集起来，共同就某一个专题来集中解决磁制冷应用的问题，取得了很好的效果。
另外，业内普遍认为永磁体强度不够、成本过高是磁制冷机民用化的拦路虎。这就要求发挥我国稀土永磁的优势，优化改进磁路设计，选用高性能、较廉价的磁体。稀土有“工业维生素”之称，是极其重要的战略资源。中国是世界上稀土资源最丰富的国家，占有世界已开发稀土资源的60%，全国已有22个省(区)先后发现稀土矿床。我国不仅稀土资源丰富，而且在稀土资源的质量、品种和可利用性等许多方面具有明显优势。
当前，具有磁制冷效应的材料有数百种，研究论文也层出不穷，但真正有实用价值的材料体系却不多。目前有应用前景的主要有两类磁制冷材料。一类是稀土镧系合金，其磁性能非常好，原材料价格低，在磁制冷样机中的实验效果可以和纯金属钆媲美。这种合金是我国科学家在上世纪90年代末发现的，现在已经成为全球研究和应用的热点材料。“但目前的问题在于，这类合金的本征脆性使得加工难度很大，传统铸锭熔炼方法的制备周期较长，导致加工制造成本远远超过了原材料成本。因此，缩短制备周期，优化加工方法就成了许多研究机构的研究课题。”
另一类有希望应用的磁制冷材料是锰铁基合金。就全球范围而言，这类材料从发现到应用基本上控制在荷兰学者手中，批量化制备则是在德国巴斯夫公司进行，美国宇航公司再把材料实验在样机上。我国的海尔集团和这两家公司均有合作，目前研发使用的材料就是锰铁基合金。
未来：合其力而击其一，加强基础研究
当前，国内磁制冷技术只在少数科研院所和家电巨头进行研发，中小企业很少涉猎这一领域。对此，刘剑分析，我国的中小企业还无法独立承担磁制冷这种投入风险，科研院所目前基本依赖国家经费去做一些课题研究，家电巨头也只是在尝试性地探索，不可能在短期内加大巨资投入。“国家应该因势利导，自下而上征集课题，然后统一部署，可以将一些细节课题交给中小企业，基本科学和工程问题交给科研院所，再让大企业去谋划知识产权问题和吸收国外的先进经验。”他建议道。
刘剑认为，我国如果想在该领域有立足之地，必须具有大胆创新、容忍失败、众志成城的胸怀和决心，合其力而击其一，在立项上集中各个单位优势，加强应用导向的基础研究。同时，在产业萌芽期给企业匹配一定的研发投入资金，降低企业的长线投资风险。“具体来说，换热效率低是目前制约磁制冷发展的一个瓶颈，所以需要材料物理的科学家去寻找热导系数更好的材料，材料加工的科学家则要想办法制备出比表面积大、一维导热和具有规则流体通道的材料制备技术，工程热物理学者或许可以借鉴传统压缩制冷的经验引入强化换热技术，各司其职，并且在循环方式上加以改善。把问题高度聚焦、分步解决、前后呼应，才是科学发展的思路。”
值得一提的是，宁波材料所在新型固体制冷技术上已有所发展，“我们现在的另一个主要课题是用外加机械应力去驱动材料的相变，激发出智能材料的‘潜热’。由于没有磁场条件，设备更简单紧凑，成本更低廉，热效应更显著，这方面应该是将来制冷技术小型化的一个重要发展领域。这种一研究已经在国外初显端倪，也有样机出现。我们也在呼吁国内的研发人员加紧部署，抢占领域制高点。”
根据世界磁制冷材料、机理、技术及器件研究和发展趋势，刘剑建议道：“国家应加强基础研究投入，丰富磁热效应机理，为材料的实际应用提供理论指导。另外，磁制冷材料粉末冶金(粘接、烧结、热压)研究也非常重要，尤其要加强对金属基复合材料和聚合物粘接等特殊工艺的深入研究，同时充分利用包括3D打印、注射成型、粉末轧制在内的磁热材料成型新技术。”此外，他认为，技术的进步离不开人才的培养。国家应加大在人才引进和培养方面的力度，组建跨学科队伍，交叉、系统地研究和优化磁制冷热循环方式，发掘新材料，开发新工艺，研制磁制冷机，为我国的磁制冷事业贡献应有的力量。
刘剑，国家“青年千人计划”专家、中国科学院宁波材料所研究员。
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