基于磁热效应（MCE）的磁制冷技术作为新兴的制冷领域，展现出了替代传统蒸汽压缩制冷技术的巨大潜力。然而，传统上用于优化MCE材料的方法涉及大量不同成分样品的制备，这不仅造成了庞大的工作量，还延长了实验周期。值得注意的是，许多典型的MCE材料，特别是La(Fe, Si)13基材料，对成分波动表现出极高的敏感性。即便是熔化后实际成分与名义成分间存在的微小差异，也可能导致样品间转变温度TC和MCE出现显著变化，这极大地增加了寻找最优成分组合的复杂性和挑战性。近日，北京科技大学材料科学与工程学院张虎教授团队的一项最新研究为我们提供了这一难题的创新性解决路径，即梯度增材制造技术制备成分梯度合金。相关研究成果已发表在国际著名期刊Advanced Functional Materials，标题为“High-Throughput Screening of High-Performance Magnetocaloric
Materials by Gradient Additive Manufacturing”。北京科技大学2023级博士生谢珑珑为第一作者，南京航空航天大学2021级博士生梁晨光为共同第一作者，北京科技大学张虎教授为通讯作者。https://doi.org/10.1002/adfm.202414441![]()
该研究首次运用了配备双仓结构专用粉料斗的梯度激光粉末床熔融（LPBF）技术，成功制备出3D打印的La0.7Ce0.3Fe11.65Si1.35-Fe成分梯度合金（CGAs）。这一技术的实施，使得高通量筛选最佳成分成为可能，并最终确定了La0.7Ce0.3Fe11.65Si1.35-7
wt.% Fe为最优成分。值得注意的是，即便在充氢处理后，该合金的机械性能依然显著提升，具体表现为La0.7Ce0.3Fe11.65Si1.35-7
wt.% Fe氢化物的抗压强度（σ）及最大应变（ε）分别较化学计量比的La(Fe, Si)13基材料高出约220%与150%。此机械性能的增强可归因于脆性1:13相与强化型α-Fe相之间优异的界面相容性。此外，该氢化物在低磁场条件下展现出显著的MCE特性，例如，在2T外加磁场作用下，其最大磁熵变|ΔSM|max达到了7.6 J kg-1 K-1，相较于基准材料Gd（5.0 J kg-1 K-1）提高了52%。除了具备高MCE及优异的机械性能外，与传统制备工艺相比，该3D打印La(Fe, Si)13基材料还展现出退火时间短、无热磁滞效应及良好的循环稳定性等额外优势。这些发现有力地证明了梯度增材制造技术在实现La(Fe, Si)13/Fe材料多性能优化最佳成分高通量筛选方面的成功应用。最终，本研究还验证了该最优成分合金可通过3D打印技术成型为多种复杂形状的MCE热交换器，这对于设计多样化的磁制冷系统具有重要意义。图1. La(Fe, Si)13–Fe成分梯度合金的制备。（a）La(Fe, Si)13–Fe CGAs的制备路线；（b和c）La(Fe, Si)13粉末和纯Fe粉末的SEM及相应的EDS图谱；（d和e）La(Fe, Si)13粉末和纯Fe粉末的粒径分布结果；（f）粉末料斗：在粉末料斗底部，La(Fe, Si)13粉末和Fe粉末被一条沿较长对角线放置的隔板分隔开；（g至i）梯度粉末铺设示意图。图2. 打印态成分梯度合金的相演化、微观结构和相场模拟。（a和b）XRD图谱及对应的Rietveld精修得到的相应相含量；（c和d）铸态和打印态样品的SEM图谱；（e）打印态样品的微观结构EBSD三维可视化结果；（f和g）TD–SD平面和TD–BD平面的IPF图谱及对应的相分布图；（h至k）LPBF的相场模拟结果。图3. 退火态CGAs的成分、相结构、显微组织演变及1:13/α-Fe界面结构。（a）EDS面扫描得到的成分结果；（b和c）退火态样品的XRD图谱及对应的Rietveld精修的相含量；（d和e）样品的光学图谱及对应的微观结构演变；（f和g）Fe2、Fe5和Fe9样品的TEM图谱，插图为SAED图谱；（i）Fe2样品的相界面的TEM及对应的FFT图谱，其中α-Fe（A）、1:13相（B）和过渡层（C）；（j）HAADF图谱及对应的EDS面扫描结果。图4 退火态CGAs的磁学性能和力学性能。（a）10 mT磁场下的M–T曲线；（b）磁化强度变化∆M的对比结果。Mmax和Mmin分别代表强磁态和弱磁态的磁化强度；（c）dM/dT–T曲线；（d）2 T磁场下的|∆SM|–T的曲线；（e）|∆SM|max@2 T与显微硬度的对比结果。图5. Fe2样品的微观结构、相变行为和磁学性能。（a）Fe2中各相的3D渲染图谱。从左至右分别为：重叠构型、1:13相（81.39 vol.%）、α-Fe相（18.36 vol.%）以及孔隙（0.25 vol.%）；（b）Fe2和Fe2H的变温SXRD的等高线图；（c）Fe2H样品2 T磁场下的|ΔSM|–T曲线；（d）Fe2H样品的变温ΔTad–H曲线。图6. 磁热性能和力学性能的比较。（a）化学计量比La(Fe, Si)13合金（LaFe11.2Co0.5Si1.3）、Fe2和Fe2H的压缩σ-ε曲线，插图显示了压缩前后的形态；（b）化学计量比La(Fe, Si)13合金与Fe2H的临界应力σmax和峰值应变εmax对比结果。由于化学计量比La(Fe, Si)13合金在氢化后会碎裂成粉末，因此将其与Fe2H进行对比；（c）采用力学性能增强策略制备的磁制冷材料的综合对比：σmax、εmax和|ΔSM|max。（d）复杂形状（左）和大尺寸通孔圆柱体（右）的Fe2样品的光学图像。Throughput Screening of High-Performance
Magnetocaloric Materials by Gradient Additive Manufacturing
Longlong
Xie, Chenguang Liang, Yazhou Qin, He Zhou, Ziyuan Yu, Haodong Chen, Muhammad
Zeeshan Naeem, Kaiming Qiao, Yaojie Wen, Baicheng Zhang, Gaofeng Wang, Xiao Li,
Jian Liu, Victorino Franco, Ke Chu, Min Yi, and Hu Zhang*
Advanced Functional Materials, 2024, 2414441 (Early
view)
DOI: 10.1002/adfm.202414441
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