综述：磁弹性Fe2P型材料在磁热冷却中的最新进展

这篇综述系统总结了(Mn,Fe)2(P,Si)基材料作为第三代巨磁热效应（GMCE）材料的突破性进展，重点探讨了通过元素掺杂（如B、F、4d/5d过渡金属）、微观结构优化（纳米化、复合材料）和机器学习辅助设计等手段调控居里温度（TC）、热滞（ΔThys）和磁熵变（|Δsm|）的策略，为开发高效环保的固态磁制冷（MCE）技术提供重要指导。

　　

磁弹性Fe₂P型材料的革新之路

1 引言

全球气候危机加剧背景下，传统制冷系统能耗占全球能源需求的37%，而固态磁制冷技术凭借高能效和环境友好特性成为研究热点。(Mn,Fe)₂(P,Si)基材料因其巨磁热效应（GMCE）、可调居里温度（T_C≈150-450 K）和低成本等优势脱颖而出。该材料家族的发展始于含砷的MnFeP_0.45As_0.55，后通过Ge/Si替代实现无毒化，其一级磁相变（FOMT）和强磁弹性耦合机制带来显著熵变（Δs_m达48 J kg^-1 K^-1@3 T），性能超越传统Gd基材料。

2 机制与应用

2.1 结构特性

该材料具有六方Fe₂P结构（空间群P-62m），Mn/Fe分别占据3g/3f位点，Si/P占据1b/2c位点。有趣的是，低Si含量会诱发正交Co₂P杂相，而高Si导致立方Fe₃Si杂相生成。材料还存在"处女效应"——首次冷却时因亚稳态原子重排导致T_C降低，可通过液氮处理消除。

2.2 热力学视角

磁热效应源自晶格（Δs_lat）、磁（Δs_mag）和电子（Δs_el）熵变的协同作用。通过麦克斯韦关系推导，绝热温变ΔT_ad≈TΔs_m/C_p，其中C_p为比热容。La(Fe,Si)₁₃材料经9万次循环测试的稳定性验证了该家族材料的实用性。

2.3 磁性调控

"混合磁性"是核心特征：3g位Mn原子具有稳定磁矩，而3f位Fe原子在相变时出现磁矩淬灭。同步辐射实验揭示，P/Si原子通过电荷重分布影响Fe的共价键形成，这种磁-结构耦合是GMCE的物理本源。

3 性能优化策略

3.1 元素掺杂

轻元素：B掺杂可将ΔT_hys从80 K降至1.5 K，同时提升机械稳定性；F掺杂则增强FOMT特性，使Δs_m提升至20.2 J kg^-1 K^-1@2 T。

过渡金属：4d元素Ru能将T_C从316 K线性调节至280 K；5d元素Ta/W可独立调控T_C而不影响ΔT_hys，为宽温区应用提供可能。

3.2 微观结构工程

纳米化使晶粒尺寸从24 μm降至36 nm时，ΔT_hys增加但FOMT特性保留。突破性进展是Cu网络复合材料——通过化学镀铜和热压成型，热导率提升至20.4 W m^-1 K^-1，抗压强度达570 MPa。玻璃包覆微丝则展现出反常的硬磁行为和阶梯状磁化曲线，源于玻璃层的内应力效应。

4 未来展望

机器学习已成功预测Co掺杂可扩展低温(<77 K)应用窗口。增材制造（如选区激光熔化）和薄膜沉积技术（脉冲激光沉积在云母基底）为器件集成开辟新途径。通过建立材料基因数据库，结合神经网络预测磁热参数与微观结构的关联，将加速下一代磁制冷材料的研发。