Acta Mater.：NiMn基多铁合金低场驱动的巨磁热效应和优异力学性能

青皮桔和山楂糖 6年前 (2018-01-20) 5714浏览

【引言】

磁热材料是一类在绝热环境中施加磁场材料本身温度发生变化的材料。基于磁热效应的磁制冷技术与基于蒸汽压缩的传统制冷技术相比，具有环境友好且高效的优点，具有极大应用潜力。当今，发展高性能的磁热材料对于促进磁制冷应用至关重要，因而得到广泛关注。磁热材料的实际应用要求材料具有低场驱动的大磁热效应和优异的力学性能，然而已有的磁热材料都不能满足所有这些需求。NiMn基Heusler合金是具有一级磁结构相变的磁热材料，兼具铁磁和铁弹特性，这类多铁材料展现出磁弹耦合特征，具有较大的等温磁熵变以及多种功能特性。

【成果简介】

多铁磁性形状记忆合金具有一级磁结构相变，其相变本身产生的潜热可使磁热效应显著增大，但这类合金具有滞后大、转变温区宽的缺点，从而导致驱动磁热效应的临界磁场很高，极大阻碍了其实际应用。

近日，北京科技大学的从道永教授和王沿东教授开展了相关研究工作，其研究成果以“Low-field-actuated giant magnetocaloric effect and excellent mechanical properties in a NiMn-based multiferroic alloy”为题发表在Acta Materialia上。本文在Ni-Co-Mn-Sn合金中通过微量Al元素添加降低堆垛层错能并产生非均匀堆垛马氏体精细结构，进而提高马氏体和奥氏体的几何兼容性，在保持两相磁化强度差的同时大幅降低了相变滞后和转变温区。因而，获得了2T磁场下磁熵变为23Jkg-1K-1的低场驱动巨磁热效应，这位居目前所有磁热材料磁热效应最高值之列。同时，通过微量Al元素取代，在这一单相多铁金属间化合物中获得了优异的力学性能。

【图文导读】

图1：不同磁场下的热磁曲线。

(a)Ni40Co10Mn40Sn10和Ni40Co10Mn40Sn9Al1分别在2T下的热磁曲线；

(b)Ni40Co10Mn40Sn9Al1分别在0.01T、2T、4T和7T下的热磁曲线。

图2：Ni40Co10Mn40Sn9Al1合金磁热效应表征。

(a)Ni40Co10Mn40Sn9Al1合金的等温磁化曲线；

(b)由麦克斯韦方程估算得到的磁熵变△Sm随温度变化曲线；

(c)在0T、2T、5T磁场下测得的比热Cp随温度变化曲线；

(d)由磁场下Cp数据算得的磁熵变△Sm随温度变化曲线；

(e)在0T、2T、5T磁场下测得的DSC曲线；

(f)由磁场下DSC数据算得的磁熵变△Sm随温度变化曲线；。

图3：在室温、373K和423K下测得的Ni40Co10Mn40Sn9Al1压缩应力应变曲线。应变由非接触式视频引伸计测得。

图4：Ni40Co10Mn40Sn9Al1合金磁热及力学性能与其他材料的比较。

(a)Ni40Co10Mn40Sn9Al1合金2T下磁熵变△Sm以及压缩断裂应变与其他室温磁热材料的比较；

(b) Ni40Co10Mn40Sn9Al1合金断裂韧性和屈服强度与其他材料的比较。

图5：原位同步辐射高能X射线衍射（HEXRD）研究晶体结构演化规律。

(a,b)冷却过程中在(a)420K和(b)300K采集的Ni40Co10Mn40Sn9Al1合金二维HEXRD花样；

(c,d)通过对二维花样积分获得的一维衍射花样在(c)由420K冷却到300K和(d)由300K加热到420K过程中的演化。

图6：Ni40Co10Mn40Sn9Al1合金室温（马氏体状态）高分辨透射电镜(HRTEM)图像。

【小结】

本工作提出了设计具有低场驱动巨磁热效应和优异力学性能的新型NiMn基磁性记忆合金的一种新方法。通过微量Al元素替代形成具有特殊堆垛结构的马氏体相，提高了Ni40Co10Mn40Sn9Al1合金中马氏体和奥氏体之间的几何兼容性，进而有效降低了热滞和转变温度区间，并实现了转变彻底性，从而使得两相磁化强度差保持在较大值。因此，成功获得了至今被报道过的磁热材料中最大的低场驱动磁熵变。同时，通过微量Al元素替代，在这一单相金属间化合物中获得了优异的压缩性能和相对较高的断裂韧性。此外，这类合金不含稀土或毒性元素，具有成本低、环境友好和易制备等优点。因此，这种合金在磁热制冷方面有着很大的应用潜力。

文献链接：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)

团队介绍：

 北京科技大学从道永教授和王沿东教授团队长期致力于马氏体相变多功能合金的研究，主要研究内容包括：（1）多场耦合作用下马氏体相变机理的先进原位研究；（2）马氏体相变多功能合金的弹热效应、磁热效应及多卡效应；（3）宽温域、窄滞后、大超弹高温形状记忆合金的设计与研制。近年来在该领域发表的代表性论文如下：

  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).

本文由材料人计算材料组Isobel供稿，材料牛整理编辑。

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