磁制冷：化解制冷和环保的矛盾

文/本刊记者 许苏

随着人类不断地发展，资源与环境的矛盾越来越严重，进入21世纪，世界各国对节能环保越来越重视，人们不断探索并试图寻找一些既节能又环保的材料，以满足社会持续发展的需求，此时新型磁制冷技术逐渐引起关注，由于此种材料既环保又高效节能的特性，很快成为了各国研发的重点。早在1998年4月，美国宇航局的研究人员就在《Science》杂志上提到：磁制冷技术可以媲美瓦特发明蒸汽机，它将引发一场制冷行业的革命。在这样的背景下，稀土磁热、磁电、高频等磁性材料具有重要的应用前景。

 “我国在磁热效应基础研究、成分专利、原材料资源等方面具有很强的软资本优势，但协同创新效应不明显，材料深加工能力较弱，造成磁制冷技术整体发展较发达国家落后。目前，关于磁制冷的基础研究正在进一步深入，这些年，也有越来越多的国内外企业参与进来，如美国通用电气、中国海尔集团、韩国三星电子等，有力地推动了磁制冷的市场化进程，但民用化进程还需要很长时间的积淀。”中科院宁波材料所（以下简称“宁波材料所”）研究员刘剑博士在接受本刊记者采访时如是说。

高效、环保——磁制冷技术两大优势

制冷技术与人们的生活息息相关，食品保鲜、空气调节、低温处理……如今，制冷技术广泛应用于人类的生活和生产之中。事实上，制冷的想法由来已久，早在人工制冷开展以前，人类就已经知道利用天然冰雪在简易装置中营造低温环境。中国、埃及和希腊等国家早期的历史对制冷也有所记载，如《诗经》中就有“凿冰冲冲，纳于凌阴”的句子，反映了当时人类储藏天然冰的情况。

“制冷作为一门科学技术，一般要求可‘循环’，即要有冷热端和换热。简易的冰块冷冻是一次性的，因此不是我们研究的主要对象。”他这里所指的制冷技术，主要包括两个方面：一是气体压缩制冷。二是非气体压缩制冷，也就是所谓的“固态制冷技术”。传统的气体压缩制冷，主要是指含烃制冷剂，我们广为熟知的氟利昂就是一种制冷剂。然而使用氟利昂会破坏臭氧层，紫外线无遮挡地辐照地球，对各种生物都有致命危害，现在已基本停用。其后人们不断更新含烃制冷剂，氟利昂的替代物氢氟烃发展至今已经有好几代了，对温室效应的影响也有所减弱，但仍然无法满足当前日益“苛刻”的节能环保需求。所以这两种材料在节能环保方面均不具有优势。

磁制冷属于非气体压缩制冷的范畴，是一种以磁性材料为工质、基于磁热效应的制冷技术。玩过磁铁的人一定有过这样的体验，我们可以用棒状磁铁吸引大金属片，大金属片可以带起小金属片，在这样的过程中，就不经意地给金属加热了，这就是所谓的“磁热效应”。这听起来像是提供了更好的加热方法而非制冷手段，但事实上磁热效应是双向的，如果一块金属持续受到磁场的影响，去掉磁场，金属便会冷却下来。

“不同于传统的气体制冷，磁制冷的优势在于完全不需要化学制冷剂，磁性固体材料在‘封闭’磁场中往复运动，材料内部的结构发生变化，从而引起温度变化，这样就可以循环制冷。用以热交换的介质是无毒的水或有机溶剂。”刘剑分析，除了绿色环保外，高制冷效率也是磁制冷的一大优势，理论上可以达到60%的能量转换率，超过了传统气体制冷的45%。

中国磁制冷的产学研连接松散

当前，节能环保日益成为世界各国关注的焦点议题，据悉，美国同巴西以及我国同巴西都在2015年推出了限制温室气体排放的最新计划，在空间探测和科学仪器装置冷却等尖端领域，磁制冷技术更是有着无可替代的优势，因此，磁制冷技术已经成为当前国内外研究的热点。欧美在磁制冷材料、技术和装置的研究开发领域居世界领先水平，美国的磁制冷机已经达到千瓦级功率水平，丹麦、英国、法国和加拿大的磁制冷机也向紧凑型发展，在温度跨度上具有明显优势，成本也与市场需求接近。

今年年初，海尔集团推出了首台应用磁制冷技术的无压缩酒柜。这是磁制冷技术首次由传统的军工业用途转向民用领域，这一结果令不少红酒发烧友颇为兴奋，但磁制冷距离真正的民用化进程还为时尚早。业内普遍认为永磁体强度不够、成本过高是磁制冷机民用化的拦路虎。说到永磁体，就不得不提磁制冷技术的关键部分——磁制冷材料。据不完全统计，目前发现的室温磁制冷材料有100多种。虽然种类很多，研究论文也层出不穷，但真正有实用价值的材料体系却不多，材料的实用价值亟待挖掘。

刘剑分析，我国在磁制冷技术上与国外的最大差距表现在三点：制冷样机的水平、研发组织投入程度和跨学科交叉合作性。在磁制冷材料和样机研制上，我国起步并不晚，但是对于国内磁制冷研究全链条设计不够，中游的材料加工与下游器件配合度较差，研究材料的人往往没有足够考虑应用样机的各种因素，做机器的人也因为拿不到真正需要的材料而困惑。“这可能与国家宏观统筹布局有关，通常只是碎片化和同质化研究，没有以应用需求为牵引，相反，国外更注重多学科交流，比如欧盟连续启动两轮第七框架研究，把材料计算、材料加工和样机设计的研发机构和公司汇集起来，共同就某一个专题来集中解决磁制冷应用的问题，取得了很好的效果。”

未来：合其力而击其一 加强协同创新

如今，在世界范围内，节能环保蔚然成风，各国对于磁制冷的基础研究都在不断加强，国内磁制冷的研发工作也在逐步推进，但仅局限于少数科研院所和家电巨头，中小企业很少涉猎这一领域。对此，刘剑分析，我国的中小企业还无法独立承担磁制冷这种投入风险，科研院所目前基本依赖国家经费去做一些课题研究，家电巨头也只是在尝试性地探索，不可能在短期内加大巨资投入。“国家应该因势利导，自下而上征集课题，然后统一部署，可以将一些细节课题交给中小企业，基本科学和工程问题交给科研院所，再让大企业去谋划知识产权问题和吸收国外的先进经验。”他建议。

刘剑认为，我国如果想在该领域有立足之地，必须具有大胆创新、容忍失败、众志成城的胸怀和决心，合其力而击其一，在立项上集中各个单位优势，加强应用导向的基础研究。同时，在产业萌芽期给企业匹配一定的研发投入资金，降低企业的长线投资风险。“具体来说，换热效率低是目前制约磁制冷发展的一个瓶颈，所以需要材料物理的科学家去寻找热导系数更好的材料，材料加工的科学家则要想办法制备出比表面积大、一维导热和具有规则流体通道的材料制备技术，工程热物理学者或许可以借鉴传统压缩制冷的经验引入强化换热技术，各司其职，并且在循环方式上加以改善。把问题高度聚焦、分步解决、前后呼应，才是科学发展的思路。”

根据世界磁制冷材料、机理、技术及器件研究和发展趋势，刘剑建议道：“国家应加强基础研究投入，丰富磁热效应机理，为材料的实际应用提供理论指导。另外，磁制冷材料粉末冶金（粘接、烧结、热压）研究也非常重要，尤其要加强对金属基复合材料和聚合物粘接等特殊工艺的深入研究，同时充分利用包括3D打印、注射成型、粉末轧制在内的磁热材料成型新技术。”此外，他认为，技术的进步离不开人才的培养。国家应加大在人才引进和培养方面的力度，组建跨学科队伍，交叉、系统地研究和优化磁制冷热循环方式，发掘新材料，开发新工艺，研制磁制冷机，为我国的磁制冷事业贡献应有的力量。

刘剑，中国科学院宁波材料所研究员。