北科從道永教授Appl. Phys. Lett.：Ni-Co-Mn-In變磁形狀記憶微絲中的大且可逆的反磁熱效應

【引言】

在過去的幾十年里， 基于磁熱效應的磁制冷技術由于其既環保又高效節能的特性從而有望取代傳統壓縮制冷技術，已成了各國研究的重點。在各種非常有潛力的磁熱材料中，Ni-Mn基合金由于其多功能特性(如形狀記憶效應、磁致應變、磁阻效應、彈熱效應等)以及其不含稀土元素和有毒元素引起了各國學者的極大關注。對于高性能磁制冷材料，其須滿足以下兩個條件：(1) 在盡可能低的磁場下具有較大的可逆磁熱效應; (2) 具有良好的熱交換能力。對于Ni-(Co)-Mn-X (X = In, Sn, Sb)變磁形狀記憶合金，一方面由于其磁結構轉變參數結合不合理使其難以在低場下獲得可逆的磁熱效應，另一方面其非常脆很難被加工成有利于熱交換的幾何形狀。這些缺陷極大限制了其一進步的發展。

【成果簡介】

近日，來自北京科技大學的從道永教授(通訊作者)和瞿玉海博士(第一作者)在Appl. Phys. Lett.上發表題目為“Large and reversible inverse magnetocaloric effect in Ni_48.1Co_2.9Mn_35.0In_14.0 metamagnetic shape memory microwire”的文章。微絲具有較大的比表面積從而有利于獲得優異的熱交換能力。因此，研究人員通過泰勒法把Ni_48.1Co_2.9Mn_35.0In_14.0變磁形狀記憶合金制備成微絲，然后在850?℃ 熱處理30 min，以同樣熱處理條件下獲得的Ni_48.1Co_2.9Mn_35.0In_14.0塊體作為對照組，通過DSC、PPMS等分析手段對實驗結果進行了分析與討論。與對應的塊體相比，由于磁結構轉變參數更好的結合，Ni_48.1Co_2.9Mn_35.0In_14.0變磁形狀記憶微絲導致可逆相變的臨界磁場大大降低，并在Ni-Mn基微絲中首次報道了可逆磁致相變。 此外，在5 T磁場下，Ni_48.1Co_2.9Mn_35.0In_14.0變磁形狀記憶微絲獲得了12.8 J/kg K的可逆磁熵變。該可逆熵變值為目前Ni-Mn基磁形狀記憶微絲中的最大值。

【圖文導讀】

圖1: Ni-Co-Mn-In變磁形狀記憶微絲的宏觀形態

(a) Ni-Co-Mn-In變磁形狀記憶微絲的宏觀形態。由圖可知通過泰勒法可以很容易地制備出連續且較長的微絲。

(b) Ni-Co-Mn-In變磁形狀記憶微絲的光學顯微鏡照片。由圖可知通過泰勒法可以制備尺寸均勻的微絲。

圖2: DSC曲線分析

圖為Ni-Co-Mn-In變磁形狀記憶微絲及其對應塊體的DSC曲線。由圖可知與塊體相比，微絲的磁結構轉變溫度(A_s、A_f、M_s和M_f)及奧氏體的居里溫度(T_c)均降低。

圖3: M(T)曲線分析

圖為Ni_48.1Co_2.9Mn_35.0In_14.0微絲及其對應塊體在0.02 T和5 T磁場下的M(T)曲線。由圖可知對于微絲，0.02 T的降溫M(T)曲線與5 T的升溫曲線之間有間隙而塊體沒有，這表明與塊體相比，微絲導致可逆相變的臨界磁場μ₀H_min顯著降低了。結合由DSC數據確定的相轉變間隔、熱滯后以及轉變熵和由M(T)曲線確定的磁化強度差(ΔM)對微絲和塊體的μ₀H_min進行了計算，發現微絲的μ₀H_min為3.8 T，而塊體的μ₀H_min為7.6 T。

圖4: M(H)曲線分析以及μ₀H_cr(T)的線性回歸分析

(a) Ni_48.1Co_2.9Mn_35.0In_14.0變磁形狀記憶微絲在第一次場循環和第二次場循環的M(H)曲線，其中施加的最大磁場為5 T。磁致相變的臨界磁場μ₀H_cr的確定方法如圖所示。由圖可知兩次場循環的M(H)曲線基本重合，表明在循環磁場作用下，Ni_48.1Co_2.9Mn_35.0In_14.0變磁形狀記憶微絲的磁致相變具有可逆性。

(b) 磁致相變的臨界磁場μ₀H_cr與溫度的關系圖。通過擬合發現其斜率約為-0.175 T/K。

圖5: 可逆磁熵變

圖為不同溫度下的可逆磁熵變ΔSm。由圖可知，在233 K，可逆ΔSm取得最大值，其值為12.8 J/kg·K。

【小結】

本文研究人員通過泰勒法制備了Ni_48.1Co_2.9Mn_35.0In_14.0變磁形狀記憶微絲。與對應塊體相比，該微絲的導致可逆相變的臨界磁場降到了3.8 T，首次在Ni-Mn基微絲合金中實現了可逆磁致相變。并在5 T磁場下，我們在Ni_48.1Co_2.9Mn_35.0In_14.0變磁形狀記憶微絲中獲得了12.8 J/kg·K可逆磁熵變。此外，該微絲具有良好的熱交換能力并且容易制備，從而使Ni_48.1Co_2.9Mn_35.0In_14.0變磁性形狀記憶微絲在磁制冷領域具有較大的應用潛力。

文獻鏈接：Large and reversible inverse magnetocaloric effect in Ni_48.1Co_2.9Mn_35.0In_14.0?metamagnetic shape memory microwire(Appl. Phys. Lett.2017,DOI:10.1063/1.5000450)

本文由北京科技大學從道永教授團隊提供。

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