NiMnInCo变磁形状记忆合金弹热效应的可逆性研究

The elastocaloric refrigerants with high efficiency and eco-friendliness have become a great potential for the application of new solid-state refrigeration technology. The highly reversible stress-induced phase transition and its thermal effect are important bases for achieving efficient elastocaloric refrigerants. The thermal hysteresis of the martensitic transformation usually leads to an irreversibility of the phase change and elastocaloric effect, thus reducing the cooling efficiency. However, the physical origin of the irreversible elastocaloric effect is not yet clear. In this study, the NiMnInCo meta-magnetic shape memory alloys with highly orientation will be prepared by directional solidification. Under different stress conditions, the local temperature changes of samples will be direct measured by high resolution thermal imaging method. Combined with the magnetic phase transition phenomenological model, the influences of friction dissipation, phase transition kinetics and magnetic variation on the elastocaloric effect and its reversibility will be studied systematically. Our investigation will be expected to provide the theoretical and experimental support for obtaining the magnetic phase change materials with high reversibility and large elastocaloric effect.

弹热制冷技术以其绿色环保、高效节能的特点成为极具应用潜力的新型固态制冷技术。高度可逆的应力诱导相变及其热效应，是实现高效弹热制冷的重要基础。而马氏体相变的热滞后，通常会导致相变和弹热温变存在一定的不可逆性，从而降低制冷效率。但影响弹热效应可逆性的物理起源尚不十分明确。本项目拟以典型的变磁形状记忆合金NiMnInCo为研究对象，利用定向凝固技术制备高度取向的多晶材料，采用高分辨热成像手段，直接测量不同应力状态下样品局域温度变化，并结合磁相变唯象模型，系统研究界面摩擦损耗、相变动力学条件和磁性变化等因素对弹热效应及其可逆性的影响规律。为获取高度可逆和巨弹热效应的磁性相变材料提供理论与实验依据。

Ni基Heusler型磁性形状记忆合金是近年来备受瞩目的固态相变材料，具有多场可控相变的室温多铁性质，其在磁、单轴应力和等静压的干预下均能发生磁结构相变，具有磁热、弹热和压热效应。磁结构相变的多场敏感性为研究多卡效应提供了便利。但该类合金的弹热效应研究还比较有限，已报道的磁性形状记忆合金的弹热温变值大多小于理论最大值，且弹热效应的可逆性因素尚未进行深入研究。.本项目以磁性形状记忆合金Ni-Mn-In(Sn, Ti, Ga)-(Co)和Ni-Fe-Ga-Co为研究对象，结合实验和理论计算，系统研究了弹热效应及其可逆性。利用韧性相析出、定向凝固技术、原位微观应变测量技术、红外热成像技术和朗道唯象模拟，分析了相组成、晶粒取向、残余应变和磁性变化对弹热效应的影响，讨论了界面摩擦损耗（应力滞后）、残余应变和磁性变化对弹热效应及其可逆性的影响规律。研究表明：1）晶粒取向直接影响弹热效应，具有爆发型马氏体相变的晶粒取向，可显著增加滞后损失；2）合金在等温压缩时应力-应变曲线完全可逆，但在快速加载时出现暂时残余应变，其不可逆温变主要来自暂时残余应变的贡献；3）在Ni-Mn-Ga-Cu合金相图中的三相点处马氏体相变与居里转变耦合发生，Cu含量的增加提高了两相磁矩差和相变敏感性参数，这有利于磁弹耦合作用的增强，同时磁熵变与弹热温变提高；4）通过朗道唯象模拟，提出了磁弹耦合强度的关键参数，热效应的增加主要来源于磁弹耦合效应的增强，而在铁磁形状记忆合金中，同一样品的滞后损耗和残余应变对弹热效应的影响与初始温度密切相关。通过以上研究为获取高度可逆和巨弹热效应的磁性相变材料提供了理论与实验依据。