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Acta Mater.: 機(jī)器學(xué)習(xí)輔助開發(fā)用于低溫應(yīng)用的Fe2P型磁熱化合物

Fe₂P型化合物表現(xiàn)出磁熱效應(yīng)（MCE）并被廣泛研究用于室溫應(yīng)用，將其轉(zhuǎn)變溫度降低到77 K以下時(shí)可為這些材料在低溫磁制冷氫液化方面的潛在應(yīng)用鋪平道路。

在此，日本國(guó)立材料研究所H. Sepehri-Amin等人為了探索開發(fā)低溫MCE無稀土元素化合物的可能性，通過對(duì)已發(fā)表的Fe₂P型磁熱化合物實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘且收集了數(shù)據(jù)集，并使用機(jī)器學(xué)習(xí)進(jìn)行成分優(yōu)化旨在將轉(zhuǎn)變溫度降低到77 K以下。

其中，作者為基于Fe₂P的化合物收集了包含603個(gè)樣品的數(shù)據(jù)集，并使用基于成分的特征來評(píng)估轉(zhuǎn)變溫度（T_tr）。選擇平均絕對(duì)誤差（MAE）作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，且對(duì)數(shù)據(jù)集的10次隨機(jī)拆分進(jìn)行了評(píng)估，分別以20:80的比例分為測(cè)試和訓(xùn)練子集。結(jié)果表明，Mn、Fe和Co等金屬元素與非金屬P、Si 和Ge一起對(duì)T_tr的調(diào)節(jié)具有最高的特征重要性。此外，作者采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用于預(yù)測(cè) Mn_xFe_2-xP_ySi_1-y組成空間內(nèi)的T_tr，結(jié)果證實(shí)Fe的Co取代將擴(kuò)大顯示低溫 MCE 的區(qū)域。

圖1. Fe₂P基磁熱化合物數(shù)據(jù)集的特征向量示意圖

因此，在Mn_xFe_2-xP_ySi_1-y的成分空間內(nèi)，作者基于機(jī)器學(xué)習(xí)發(fā)現(xiàn)了一種很有前景的不含稀土元素的Mn_1.70Fe_0.30P_0.63Si_0.37合金，其T_tr為97 K，在外部磁場(chǎng)（μ₀H_ext）為1 T、溫度為5K的條件下具有121 Am² kg^-1的高磁化強(qiáng)度。

此外，在Mn_1.7Co_0.03Fe_0.27P_0.63Si_0.37合金中，用Co輕微部分取代Fe可以將T_tr降低到73 K，但磁化強(qiáng)度會(huì)略微降低到 95 Am²kg^-1。Mn_1.7Co_0.03Fe_0.27P_0.63Si_0.37合金在μ₀H_ext = 0~5 T下的熵變?yōu)?7.5 J/kgK，可逆的絕熱溫度變化為 1.4 K，因此仍需進(jìn)一步的工作來通過合金設(shè)計(jì)和磁滯工程來增加Fe₂P基化合物的磁熵變和可逆絕熱溫度變化。這項(xiàng)工作展示了一種不含稀土元素的磁熱材料用于氫氣液化的新潛力。此外，該研究為通過傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)流程和機(jī)器學(xué)習(xí)相結(jié)合及二者的相互反饋來開發(fā)新型材料提供了一種新策略。

圖2. Mn_xFe_2-xP_ySi_1-y合金磁化強(qiáng)度與溫度的關(guān)系

Machine learning assisted development of Fe₂P-type magnetocaloric compounds for cryogenic applications, Acta Materialia 2022. DOI: 10.1016/j.actamat.2022.117942

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Acta Mater.: 機(jī)器學(xué)習(xí)輔助開發(fā)用于低溫應(yīng)用的Fe2P型磁熱化合物

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