用于近室温磁冷却的柔性电纺纳米纤维

《Materials Today Nano》：Flexible electro-spun nanofibers for near room temperature magnetic cooling

磁制冷复合材料通过静电纺丝技术制备，采用PVDF与Mn4.9Cu0.1Ge3合金复合，实现柔性结构并提升机械性能，在9T磁场下制冷能力达55.6 J/kg，为室温磁制冷应用提供新方案。

　　磁制冷技术作为一种环保且高效的替代方案，正在逐渐受到重视。传统的制冷系统通常依赖于压缩和膨胀过程，这些过程不仅需要消耗大量能源，还可能产生有害的温室气体。相比之下，磁制冷技术利用磁热效应（MCE）实现热量的转移，具有更高的卡诺效率、更低的维护成本以及更少的噪音。这些优势使得磁制冷技术在能源领域展现出巨大的潜力，尤其是在需要高效回收废热和实现室温制冷的应用场景中。

然而，磁热材料在实际应用中仍面临一些关键挑战。特别是，许多磁热材料在反复循环过程中容易发生疲劳，导致其机械性能下降。此外，这些材料在成型和加工过程中也存在一定的困难，例如需要复杂的工艺或高温条件，这不仅增加了制造成本，还可能影响材料的最终性能。因此，为了克服这些局限性，研究人员开始探索将磁热材料与柔性基体材料结合，以提高其应用的可行性。

在本研究中，我们采用了一种简单且经济的静电纺丝技术，合成了一种由聚偏氟乙烯（PVDF）聚合物和Mn?.?Cu?.?Ge?合金粉末组成的复合纤维毡。这种材料具有良好的柔韧性，可以在不同的形状和结构中进行定制化加工，同时保留了磁热材料的核心特性。通过静电纺丝技术，我们能够将磁热材料颗粒均匀地嵌入到聚合物纤维中，从而形成一种兼具机械稳定性和热导率的复合材料。这种复合材料的热导率虽然低于金属基复合材料，但其机械性能和成型能力显著提高，使其在室温制冷和废热回收应用中更具优势。

静电纺丝技术是一种通过静电场作用将聚合物溶液或熔体拉伸成纳米或微米级纤维的方法。该技术不仅操作简便，而且能够实现大规模生产，因此在材料科学和工程领域得到了广泛应用。在本研究中，我们利用静电纺丝技术将Mn?.?Cu?.?Ge?合金粉末均匀地分散在PVDF溶液中，从而制备出具有均匀分布的磁热材料颗粒的复合纤维毡。通过这种方式，我们成功地克服了传统磁热材料在成型和加工过程中遇到的困难，同时保留了其磁热性能。

在实验过程中，我们首先通过水冷的Centorr Tri-arc炉在氩气氛围下制备了Mn?.?Cu?.?Ge?合金。该合金的制备过程经过详细优化，确保其具有良好的磁热性能和机械稳定性。随后，我们采用静电纺丝技术将合金粉末与PVDF溶液混合，形成复合纤维毡。通过这一过程，我们不仅能够获得具有均匀分布的磁热材料颗粒的纤维毡，还能够控制其微观结构，从而进一步提升其性能。

为了评估复合纤维毡的形态和结构，我们使用扫描电子显微镜（SEM）对其进行了分析。SEM图像显示，磁热材料颗粒被有效地嵌入到聚合物纤维中，且在纤维内部呈现出均匀的分布。此外，我们还通过图像分析软件对纤维的直径进行了测量，结果显示纤维直径在纳米尺度范围内，表明该复合材料具有良好的柔韧性和可加工性。这些特性使得该材料在实际应用中更具优势，例如可以用于制造形状复杂的模块，而无需额外的加工步骤。

在磁热性能方面，我们对复合材料进行了系统的测试和分析。测试结果表明，该材料的居里温度与室温相近，且在磁场作用下能够产生显著的磁热效应。具体来说，当施加9特斯拉的磁场时，该材料的制冷能力达到了55.6 J/kg，显示出良好的应用潜力。这一结果表明，通过将磁热材料嵌入到柔性聚合物基体中，可以有效克服传统磁热材料在机械性能和加工难度方面的限制，从而实现更高的效率和更广泛的应用。

此外，我们还比较了该复合材料与传统块状Mn?.?Cu?.?Ge?合金在磁热性能上的差异。结果显示，虽然块状合金在某些情况下具有更高的磁热响应，但其机械性能和成型能力较差，限制了其在实际应用中的可行性。相比之下，复合材料在保持良好磁热性能的同时，展现出更高的机械稳定性和柔韧性，使其在室温制冷和废热回收应用中更具优势。

在实验过程中，我们还对复合材料的微观结构进行了深入研究。通过分析其内部的颗粒分布和纤维排列，我们发现该材料具有良好的结构均匀性和热导率。这些特性不仅有助于提高其磁热性能，还能够增强其在实际应用中的稳定性和耐用性。此外，我们还评估了该材料在不同磁场强度下的性能变化，结果显示其在低磁场条件下仍然能够保持较高的磁热响应，这表明该材料具有良好的适应性。

在本研究中，我们采用了一种定制化的加工方法，以实现磁热材料与柔性聚合物基体的高效结合。这种加工方法不仅能够确保材料的均匀分布，还能够控制其微观结构，从而进一步提升其性能。通过这种方式，我们成功地制备出了一种具有良好机械性能和磁热性能的复合材料，为室温制冷和废热回收应用提供了新的解决方案。

在实际应用中，这种复合材料可以用于制造轻便、可弯曲的模块，从而满足不同应用场景的需求。例如，在需要高效率和低噪音的制冷系统中，这种材料可以替代传统的金属基复合材料，提供更好的性能。此外，由于其良好的热导率和机械稳定性，这种材料还可以用于制造具有复杂形状的制冷模块，从而提高其在实际应用中的灵活性。

总的来说，本研究通过将Mn?.?Cu?.?Ge?合金嵌入到PVDF聚合物基体中，成功制备出了一种具有良好机械性能和磁热性能的复合材料。这种材料不仅能够克服传统磁热材料在机械性能和加工难度方面的限制，还能够在室温制冷和废热回收应用中展现出更高的效率和适应性。通过这一研究，我们为磁制冷技术的发展提供了新的思路和方法，为未来的绿色能源应用奠定了基础。