低场下磁驱动形状记忆合金的可逆磁热效应及其调控机理研究

Magnetic-field-driven shape memory alloys (MSMAs) have attracted much attention due to its multifunctional properties (magnetocaloric effect, magnetic-field-induced strains, magnetoresistance, etc.). However, this kind of alloy exits so much bottlenecks such as large thermal hysteresis, hard-driven and irreversible phase transition under low magnetic field, which have severely limited its development and application. With the NiMnIn MSMAs as research object, the present project aims to explore the tuning mechanism of reversible phase transformation under 2T magnetic field, and to monitor the reversible phase transformation evolution by using high-energy X-ray synchrotron experimental technology, and to elucidate the tuning mechanisms for the condition of lattice-match of anstenite and martensite and the narrow thermal hysteresis, to disclose the intrinsic correlation betweenr the reversible phase transformation and the functional properties, and establish the effective and integrated physical model for optimizing functional properties based on tuning the phase transformation feature parameters (thermal hysteresis、interval of transformation and the entropy change ). This study is of both great theoretical significance and practical interest for developing the novel materials showing large reversible magnetocaloric effect.

磁驱动形状记忆合金由于具有优异的磁热效应、磁致应变效应、磁阻效应等多功能特性而备受关注。然而当前该类合金还存在热滞后偏大、低场下难驱动及相转变不可逆等瓶颈问题，严重限制了其发展和应用。本项目拟以NiMnIn磁驱动形状记忆合金为研究对象，探索合金在2T磁场下可逆转变的内在机制；利用高能X射线衍射原位技术，监控合金晶体结构在可逆转变过程中的演化规律，阐明合金奥氏体和马氏体晶体结构之间的匹配特性与其热滞后大小的内在调控机理；揭示合金在低场下可逆转变的相变行为与其功能特性的内在关联性，建立基于可逆相变特征参数（热滞后、相变反应跨度、相变熵变等）优化多功能特性的有效统一物理模型。本项目对开发高性能可逆磁热效应新材料具有重要的理论意义和实际价值。

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。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。. 本项目围绕 “窄滞后合金成分设计—晶体结构匹配规律—功能行为的关联性”这一科学问题，获得了如下重要实验结果和关键实验数据：1、设计出了具有低场驱动巨磁热效应性能的新型NiMn基磁性记忆合金的一种新方法。2、利用高能同步辐射衍射原位技术揭示合金在不同相变滞后下晶体结构的关键信息。发现高温相为具有立方结构的奥氏体相，低温为只有单斜结构的马氏体，计算了高低温相的晶格参数，利用晶格几何条件，发现二者之间具备很好的兼容性。3、揭示了合金窄滞后特性在可逆转变过程中的物理起源。基于相转变和晶体结构结构转变特征，探索出了具有窄滞后合金在低场下可逆转变的内在调控机制。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,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。因而，获得了大的低场驱动巨磁热效应。 . 本项目提出了一种设计具有低场驱动巨磁热效应的新型NiMn基磁性记忆合金的新方法。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，成功获得了大的低场驱动磁熵变。因此，这种合金在磁热制冷方面有着很大的应用潜力。