Fe47.5Ni37.5Mn15块体与纳米颗粒的磁热效应：面向室温磁制冷应用的过渡金属合金设计

为解决传统磁制冷材料依赖昂贵稀土元素（如钆）的问题，研究人员通过设计Fe47.5Ni37.5Mn15过渡金属合金，开发了一种低成本、高性能的室温磁热材料。该合金在2 T和5 T磁场下分别实现88.26 J/kg和297.68 J/kg的制冷功率，并探索了纳米颗粒的超顺磁性（superparamagnetism）调控策略，为环保制冷技术商业化提供了新思路。

　　

在追求碳中和的今天，传统制冷技术因使用氟利昂等破坏臭氧层的制冷剂而面临淘汰。磁制冷技术利用磁热效应（Magnetocaloric Effect, MCE）实现零排放制冷，但主流材料如钆（Gd）因稀土元素的高成本（约300美元/公斤）难以普及。如何开发低成本、高性能的替代材料成为关键挑战。

韩国研究人员在《Journal of Alloys and Compounds》发表研究，通过精确调控Fe_47.5Ni_37.5Mn₁₅合金的居里温度（T_c≈300 K），使其在室温附近展现优异MCE性能。该团队采用电弧熔炼法制备块体合金，并通过脉冲激光烧蚀（Pulsed-Laser Ablation）合成纳米颗粒，系统比较了两者的磁热特性。

关键实验技术

1. 合金设计：通过电弧熔炼和1050°C均匀化退火制备块体材料；
2. 纳米颗粒合成：采用液相脉冲激光烧蚀法；
3. 性能表征：通过振动样品磁强计（VSM）测量磁化曲线，结合热力学模型计算磁熵变（ΔS_M）和相对制冷功率（RCP）。

研究结果

1. Alloy design for room temperature refrigerator
   块体合金在2 T和5 T磁场下的RCP分别达88.26 J/kg和297.68 J/kg，其二级磁相变特性（无尖锐斜率变化）表明良好的热力学可逆性。

2. 纳米颗粒的异常行为
   纳米颗粒因激光烧蚀过程中的锰损失和碳污染，MCE峰移至477 K，但超顺磁性效应为调控材料性能提供了新途径。

结论与意义
该研究首次证实Fe-Ni-Mn过渡金属合金可替代稀土材料实现室温磁制冷，其成本仅为钆的1/30。块体合金的高RCP性能源于优化的原子尺度成分分布，而纳米颗粒的温度偏移现象揭示了工艺-性能关联性。研究提出的“自上而下”超顺磁性调控策略，为下一代磁制冷材料开发提供了理论框架和技术路线。