无论是古代生活还是现代生活，都离不开制冷技术。在古代炎热的夏天，人们通过热传递的方式，比如：在家里摆放冰块，来达到制冷降温的目的；根据史书记载，古埃及人会通过水的蒸发以及热辐射来满足制冷的需求[1]。现代生活中，随着科技的迅猛发展，人们的生活水平不断提高，制冷技术随处可见，小到日常生活中所用的空调、冰箱、食品冷藏柜、汽车空调，大到中央空调、气体液化等，而且制冷技术在一些高端的新型领域中也发挥着至关重要的作用，所以此项技术具有潜在不可估量的应用前景。
回顾历史，纵观现在，制冷技术的发展可分为两个阶段：19世纪三十年代到20世纪三十年代，这100年间为制冷技术的初始发展阶段，这个阶段使用的制冷剂多为HCS和NH3 ，它们普遍存在的缺点是可燃、危害人体健康以及效率低下等。1930年到上世纪90年代的半个世纪之久为制冷技术发展的第二阶段，这一阶段是制冷技术快速发展的黄金时期，主要使用的制冷剂为氟里昂。众所周知，CFC类制冷剂破坏臭氧层，对人类生活环境带来众多负面影响。上世纪90年代，发达国家把破环臭氧层的物质强制淘汰，现在，我国也己经逐步并全面淘汰了这些物质。但替代CFC制冷剂的工质经过人工合成也通常需要消耗大量的能源，并且会造成较强的温室效应[2-3]。因此，在能源日益紧张的今天，找到一种既环保又高效节能的新型制冷技术已经成为世界范围内亟待解决的问题。基于材料的“磁热效应”发展而来的磁制冷技术是目前受到国内外广泛重视的一项有重要应用前景的新技术[4]。
磁热效应在100年前被 Weiss和 Piccard所发现[5]。这一发现不仅使人们增进了对材料物理性质的认识，更重要的是为后来磁制冷技术的产生、发展和广泛应用奠定了基础。磁热效应是所有磁性材料的内禀性质，材料在磁化或退磁过程中所产生的等温熵变或者绝热升温现象。如图1所示，在零磁场条件下，磁体内磁矩的取向是无序的，此时磁熵较大；外加磁场后，磁矩在磁场的作用下趋于与磁场平行，导致磁熵减小，绝热温度上升，进而通过热交换向环境放热；当磁场变小，由于磁性原子或离子的热运动，其磁矩又趋于无序，绝热温度降低，从环境中吸热。
图1 磁热效应的示意图[6]
1976年，Brown发现二级相变金属材料（单质Gd）除了居里温度在室温区（293 K）的优点外，其绝热温变和磁熵变等数据，都使得Gd可看作是最适合作室温磁制冷工质的材料[7]。1997年，GdSiGe材料在5T磁场的室温环境下，根据美国Ames实验室所报道其磁熵变可达到18.5 J/(kg﹒K)，该磁制冷材料的巨磁热效应来源于一级磁相变[8]，之后科学家们不断研究探索，开发出一系列巨磁热效应材料[8-12]。2002年Tegus等人报道了MnFeP0.55As0.45化合物的磁热效应。该报道中，此化合物的居里温度在室温附近可调。MnFeP0.55As0.45在0-2T和0-5 T磁场下磁熵变在一定温度下有最大值。在5 T的磁场下最大磁熵变可达到约为18 J/(kg﹒K)，且MnFeP0.45As0.55的磁熵变比Gd5Si2Ge2的温度区域较宽[11]。 但因为AS的氧化物具有毒性，继而人们对MnFe(P, Ge)系列化合物进行了研究。其中Ge作为贵金属，对实际应用的推广，从成本方面考虑并不理想，转而开始研究MnFe(P, Si)系列化合物。
在众多的磁制冷材料中（如Ge-Si-Ge、钙钛矿锰氧化物、La-Fe-Si、MnAs、Heusler合金等），(Mn,Fe)2(P,Si)合金因其不含稀土或其他贵重元素，无毒无害，而且可以通过成分调控在较大温区内获得较强的巨磁热效应等特点，成为目前最具前景的磁制冷材料之一。然而，(Mn,Fe)2(P,Si)材料相对其他磁制冷材料，热导率较低，严重阻碍了其实用化之路。此外，与其它具有巨磁热效应的磁制冷材料一样，(Mn,Fe)2(P,Si)材料的巨磁热效应也来源于磁结构耦合的一级相变。而一级相变过程发生的剧烈的结构变化会引起材料中微裂纹的产生，从而进一步降低材料的热导率和机械稳定性。(Mn,Fe)2(P,Si)合金在发生铁磁-顺磁转变时，尽管晶体结构保持不变，但晶格常数发生了不连续的变化。该磁结构耦合的相变又被称为一级磁弹相变。正是由于晶格常数的不连续变化，相变过程中铁磁-顺磁两相界面上积累了大量的弹性应变，增加了相变过程的能垒，因此相变过程伴随着较大的热滞，限制了该材料在热循环过程的制冷效率。此外，(Mn,Fe)2(P,Si)通常仅在其居里温度(TC)附近的较窄温域内表现出巨磁热效应，因此限制了其使用温度。为了在较大温域内获得巨磁热效应，就必须能够有效调控其居里温度。鉴于此，降低(Mn,Fe)2(P,Si)材料的热滞以及调控其居里温度成了当下该领域亟需解决的瓶颈问题。
针对上述瓶颈问题，研究者们进行了广泛研究。Thang等人研究发现通过优化(Mn,Fe)2(P,Si)材料的热处理工艺可以降低其热滞[13]。不同热处理后材料中的杂质含量有了较为明显的变化，因此热处理对(Mn,Fe)2(P,Si)材料相变特性的改变根源于主相化学计量比的变化。Dung等人[14]研究发现，通过合理调整(Mn,Fe)2(P,Si)中Mn/Fe原子和P/Si原子的原子比可以有效调控热滞和居里温度。Guillou[15]和Miao[16]等人研究发现，通过向(Mn,Fe)2(P,Si)中添加一些尺寸较小的原子（如，B，C，N等）也能改变其热滞和居里温度。Ou等人[17]研究发现，利用3d过渡族金属（如Ni，Cu，Co等）取代(Mn,Fe)2(P,Si)中的Mn或Fe原子也能实现对其居里温度和热滞的调控。
综合上述研究结果，本课题希望通过元素掺杂 机械化合金的方法来制备以(Mn,Fe)2(P,Si)系磁制冷材料为基础的新型磁制冷合金材料。期望该新型合金具有热滞小、机械稳定好、磁熵变大，并且其合金材料的磁热效应、相变行为和居里温度都连续可调等性能，使得该磁制冷材料能更加环保高效的用于制冷技术行业中，从而扩大(Mn,Fe)2(P,Si)系磁制冷材料的实际用化之路。
2、本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）：
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