Acta Mater.：NiMn基多鐵合金低場驅動的巨磁熱效應和優異力學性能

青皮桔和山楂糖 6年前 (2018-01-20) 5131瀏覽

【引言】

磁熱材料是一類在絕熱環境中施加磁場材料本身溫度發生變化的材料。基于磁熱效應的磁制冷技術與基于蒸汽壓縮的傳統制冷技術相比，具有環境友好且高效的優點，具有極大應用潛力。當今，發展高性能的磁熱材料對于促進磁制冷應用至關重要，因而得到廣泛關注。磁熱材料的實際應用要求材料具有低場驅動的大磁熱效應和優異的力學性能，然而已有的磁熱材料都不能滿足所有這些需求。NiMn基Heusler合金是具有一級磁結構相變的磁熱材料，兼具鐵磁和鐵彈特性，這類多鐵材料展現出磁彈耦合特征，具有較大的等溫磁熵變以及多種功能特性。

【成果簡介】

多鐵磁性形狀記憶合金具有一級磁結構相變，其相變本身產生的潛熱可使磁熱效應顯著增大，但這類合金具有滯后大、轉變溫區寬的缺點，從而導致驅動磁熱效應的臨界磁場很高，極大阻礙了其實際應用。

近日，北京科技大學的從道永教授和王沿東教授開展了相關研究工作，其研究成果以“Low-field-actuated giant magnetocaloric effect and excellent mechanical properties in a NiMn-based multiferroic alloy”為題發表在Acta Materialia上。本文在Ni-Co-Mn-Sn合金中通過微量Al元素添加降低堆垛層錯能并產生非均勻堆垛馬氏體精細結構，進而提高馬氏體和奧氏體的幾何兼容性，在保持兩相磁化強度差的同時大幅降低了相變滯后和轉變溫區。因而，獲得了2T磁場下磁熵變為23Jkg-1K-1的低場驅動巨磁熱效應，這位居目前所有磁熱材料磁熱效應最高值之列。同時，通過微量Al元素取代，在這一單相多鐵金屬間化合物中獲得了優異的力學性能。

【圖文導讀】

圖1：不同磁場下的熱磁曲線。

(a)Ni40Co10Mn40Sn10和Ni40Co10Mn40Sn9Al1分別在2T下的熱磁曲線；

(b)Ni40Co10Mn40Sn9Al1分別在0.01T、2T、4T和7T下的熱磁曲線。

圖2：Ni40Co10Mn40Sn9Al1合金磁熱效應表征。

(a)Ni40Co10Mn40Sn9Al1合金的等溫磁化曲線；

(b)由麥克斯韋方程估算得到的磁熵變△Sm隨溫度變化曲線；

(c)在0T、2T、5T磁場下測得的比熱Cp隨溫度變化曲線；

(d)由磁場下Cp數據算得的磁熵變△Sm隨溫度變化曲線；

(e)在0T、2T、5T磁場下測得的DSC曲線；

(f)由磁場下DSC數據算得的磁熵變△Sm隨溫度變化曲線；。

圖3：在室溫、373K和423K下測得的Ni40Co10Mn40Sn9Al1壓縮應力應變曲線。應變由非接觸式視頻引伸計測得。

圖4：Ni40Co10Mn40Sn9Al1合金磁熱及力學性能與其他材料的比較。

(a)Ni40Co10Mn40Sn9Al1合金2T下磁熵變△Sm以及壓縮斷裂應變與其他室溫磁熱材料的比較；

(b) Ni40Co10Mn40Sn9Al1合金斷裂韌性和屈服強度與其他材料的比較。

圖5：原位同步輻射高能X射線衍射（HEXRD）研究晶體結構演化規律。

(a,b)冷卻過程中在(a)420K和(b)300K采集的Ni40Co10Mn40Sn9Al1合金二維HEXRD花樣；

(c,d)通過對二維花樣積分獲得的一維衍射花樣在(c)由420K冷卻到300K和(d)由300K加熱到420K過程中的演化。

圖6：Ni40Co10Mn40Sn9Al1合金室溫（馬氏體狀態）高分辨透射電鏡(HRTEM)圖像。

【小結】

本工作提出了設計具有低場驅動巨磁熱效應和優異力學性能的新型NiMn基磁性記憶合金的一種新方法。通過微量Al元素替代形成具有特殊堆垛結構的馬氏體相，提高了Ni40Co10Mn40Sn9Al1合金中馬氏體和奧氏體之間的幾何兼容性，進而有效降低了熱滯和轉變溫度區間，并實現了轉變徹底性，從而使得兩相磁化強度差保持在較大值。因此，成功獲得了至今被報道過的磁熱材料中最大的低場驅動磁熵變。同時，通過微量Al元素替代，在這一單相金屬間化合物中獲得了優異的壓縮性能和相對較高的斷裂韌性。此外，這類合金不含稀土或毒性元素，具有成本低、環境友好和易制備等優點。因此，這種合金在磁熱制冷方面有著很大的應用潛力。

文獻鏈接：Low-field-actuated giant magnetocaloric effect and excellent mechanical properties in a NiMn-based multiferroic alloy(Acta Mater.,2018,DOI: 10.1016/j.actamat.2017.12.047)

團隊介紹：

?北京科技大學從道永教授和王沿東教授團隊長期致力于馬氏體相變多功能合金的研究，主要研究內容包括：（1）多場耦合作用下馬氏體相變機理的先進原位研究；（2）馬氏體相變多功能合金的彈熱效應、磁熱效應及多卡效應；（3）寬溫域、窄滯后、大超彈高溫形狀記憶合金的設計與研制。近年來在該領域發表的代表性論文如下：

  1. Y. Cong*, L. Huang, V. Hardy, D. Bourgault, X. M. Sun,Z. H. Nie, M. G. Wang, Y. Ren, P. Entel and Y. D. Wang*: Low-field-actuated giant magnetocaloric effect and excellent mechanical properties in a NiMn-based multiferroic alloy. Acta Materialia 146 (2018) 142-151.
  2. H. Qu, D. Y. Cong*, X. M. Sun, Z. H. Nie, W. Y. Gui, R. G. Li, Y. Ren and Y. D. Wang: Giant and reversible room-temperature magnetocaloric effect in Ti-doped Ni-Co-Mn-Sn magnetic shape memory alloys. Acta Materialia 134, 236-248 (2017).
  3. Yang, D. Y. Cong*, X. M. Sun, Z. H. Nie and Y. D. Wang: Enhanced cyclability of elastocaloric effect in boron-microalloyed Ni-Mn-In magnetic shape memory alloys. Acta Materialia 127, 33-42 (2017).
  4. Y. Cong, K. C. Rule, W. H. Li, C. H. Lee, Q. H. Zhang, H. L. Wang, Y. L. Hao, Y. D. Wang and E. W. Huang: Confined martensitic phase transformation kinetics and lattice dynamics in Ni-Co-Fe-Ga shape memory alloys. Acta Materialia 110, 200-206 (2016).
  5. Y. Cong*, G. Saha and M. R. Barnett: Thermomechanical properties of Ni-Ti shape memory wires containing nanoscale precipitates induced by stress-assisted ageing. Acta Biomaterialia 10, 5178-5192 (2014).
  6. H. Qu, D. Y. Cong*, Z. Chen, W. Y. Gui, X. M. Sun, S. H. Li, L. Ma and Y. D. Wang: Large and reversible inverse magnetocaloric effect in Ni48.1Co2.9Mn35.0In14.0 metamagnetic shape memory microwire. Applied Physics Letters 111, 192412 (2017).
  7. M. Sun, D. Y. Cong*, K. -D. Liss, Y. H. Qu, L. Ma, H. L. Suo and Y. D. Wang: Origin of anomalous cryogenic magnetic behavior in a Ni-Mn-based magnetic shape memory alloy. Applied Physics Letters 110, 132402 (2017).
  8. Huang, D. Y. Cong*, L. Ma, Z. H. Nie, Z. L. Wang, H. L. Suo, Y. Ren and Y. D. Wang*: Large reversible magnetocaloric effect in a Ni-Co-Mn-In magnetic shape memory alloy. Applied Physics Letters 108, 032405 (2016).
  9. H. Dong, D. Y. Cong*, Z. H. Nie, Z. B. He, L. F. Li, Z. L. Wang, Y. Ren and Y. D. Wang: Stress transfer during different deformation stages in a nano-precipitate-strengthened Ni-Ti shape memory alloy. Applied Physics Letters 107, 201901 (2015).
  10. Huang, D. Y. Cong*, H. L. Suo and Y. D. Wang*: Giant magnetic refrigeration capacity near room temperature in Ni40Co10Mn40Sn10 multifunctional alloy. Applied Physics Letters 104, 132407 (2014).

本文由材料人計算材料組Isobel供稿，材料牛整理編輯。

材料牛網專注于跟蹤材料領域科技及行業進展，這里匯集了各大高校碩博生、一線科研人員以及行業從業者，如果您對于跟蹤材料領域科技進展，解讀高水平文章或是評述行業有興趣，點我加入編輯部大家庭。

歡迎大家到材料人宣傳科技成果并對文獻進行深入解讀，投稿郵箱tougao@cailiaoren.com。

投稿以及內容合作可加編輯微信：RDD-2011-CHERISH，任丹丹，我們會邀請各位老師加入專家群。

材料測試、數據分析，上測試谷！

標簽：
分享到