综述：从巨磁热效应的发现到高功率密度系统的发展

这篇综述系统回顾了卡路里制冷技术（Caloric cooling）的发展历程，重点聚焦巨磁热效应（GMCE）材料Gd5Si2Ge2的突破性发现及其在固态制冷系统中的应用，揭示了该技术替代传统蒸汽压缩（vapor-compression）的潜力，并展望了多场耦合（multi-field stimuli）和梯度材料（graded regenerators）等前沿方向。

　　

卡路里制冷研究的起源与挑战

传统蒸汽压缩技术因效率瓶颈和环境风险面临革新需求。卡路里制冷技术利用磁场、应力等外场诱导固态材料的可逆热效应，展现出零制冷剂泄漏、高能效（实测卡诺效率达60%）等优势。1997年Ames国家实验室发现的Gd₅Si₂Ge₂巨磁热效应（|ΔS_M|=14 J·kg^-1·K^-1）成为关键转折点，其磁-结构耦合的一级相变机制为材料设计提供了新范式。

材料突破与系统创新

磁热材料：从稀土基合金（如Eu₂In的27 J·kg^-1·K^-1熵变）到La(Fe,Si)₁₃氢化物，研究者通过双场驱动（磁场+应力）克服滞后损耗。弹热材料：NiTi-Cu合金通过界面匹配将滞后降低至1%，而Cu-Al-Mn带状材料通过快速凝固实现10%拉伸应变。系统设计：旋转式磁制冷机（1.5 T永磁体）实现25 K温跨，而四点弯曲弹热装置（专利号[111]）通过低力加载使薄壁结构免于屈曲。

技术瓶颈与解决方案

材料瓶颈：一级相变材料的脆性和循环疲劳（需耐受10⁸次循环）通过增材制造（如LENS打印NiTi蜂窝结构）部分解决。系统优化：梯度再生器（如HoNi₂/DyNi₂/TbNi₂复合材料）通过连续调谐居里温度提升热交换效率。计算辅助设计（如DFT几何非线性理论）加速了MnFeNiSiAl等无稀土材料的发现。

未来展望

AI/ML与材料物理的深度融合将推动逆向设计，而离子卡路里（ionocaloric）和多重卡路里（multicaloric）效应开辟了新赛道。NASA支持的弹热太空制冷项目（ERSA）和Ubiblue商业磁热冰箱（COP=60%）标志着技术转化加速。但永磁体成本（占系统体积70%）和微型化再生器（目标特征尺寸<100 μm）仍是产业化关键挑战。