新型Ni-Mn基变磁性合金的磁感生应变与输出应力研究

A new type of Ni-Mn based Heusler alloys which is as a kind of magnetic smart materials with potential application prospect, have attracted much attention in condensed matter physics and materials science by the fact that they reveal a large magnetostrain and output stress during field-induced matamagnetic martensitic transformation. However, previous studies show that the field-induced martensitic transformation in these alloys usually accompanies with a huge magnetic energy consumed. Such disadvantage restricts their application as a magnetic actuator material. In this project, the ratio of ΔM and ΔS during metamanetic transformation in these alloys will be appropriately adjusted based on comprehensive investigation for their compositons depedence of thermodynamical parameters(ΔM and ΔS). At the same time, we are going to develop a new type of porous Ni-Mn based Heusler alloys. Combined with relative theory, the evolutive tendency between thermodynamical behavior and external magnetic field in the process of metamagnetic transformation will be discussed significantly, giving rise to suffcient reduction of energy consumed during field-induce matamagnetic transformation in these alloys. On this basis, the physics mechanism of matamagnetic shape memory effect will be further demonstrated, which provide important basic research information for realization of two-way metamagnetic shape memory effect and output stress accompanies with a low energy consumed in these alloys.

新型Ni-Mn基哈斯勒合金由于在磁场诱导变磁性马氏体相变过程中展现出大的磁致应变与输出应力，作为一种磁智能材料具有潜在的应用前景，现已成为凝聚态物理和材料科学的研究热点之一。然而，前期的研究表明诱导该类合金的马氏体相变通常伴随巨大的磁能损耗，这种缺陷限制了其作为磁激励材料的应用。本项目将以Ni-Mn-Z(Z=Sn, In)-Co作为主要研究对象，通过系统研究变磁性马氏体相变过程中的热力学参数(ΔM和ΔS)与合金组分之间的关联问题，以合理地调控该过程中两参数之间的比值。同时，研制多孔结构的新型Ni-Mn基哈斯勒合金，并结合相关理论，深入探讨该体系合金在变磁转变过程中的热力学行为与外场之间的演化规律，充分削弱该类合金在磁场诱导变磁性相变过程中的能量耗散。以此为基础，进一步挖掘变磁性形状记忆效应的物理机制，为实现该体系合金在低能耗下的双程变磁性形状记忆效应及输出应力提供重要的基础研究资料。

新型Ni-Mn基作为一种磁智能材料具有潜在的应用前景，一直是当今凝聚态物理和材料科学的研究热点之一。本项目以Ni-Mn基Heusler合金作为主要研究对象，对该体系合金在马氏体相变过程中所产生的低能耗下的双程变磁性形状记忆效应及输出应力和其它功能效应进行了较为系统的研究。研究结果表明，利用适量的Co原子去替代Ni位能够有效的调整三元母体合金在变磁性马氏体相变过程中的关键热力学参数，从而实现较低磁场驱动的马氏体相变，并获得了Ni46Co4Mn39Sn11合金在较宽温区范围内的可回复变磁性形状记忆效应和输出应力，其最大应变量是母体合金的10倍。基于近年来Fe替代Ni-Co-Mn-In四元合金Co位的一些新发现，我们还系统研究了Pd替代Co位所导致的结构，相变及磁性的变化，结果表明，适量的Pd引入能够提高母体合金两相之间的原胞体积差异，同时降低相变驱动力，因此在该体系合金中实现了增强型的变磁性形状记忆效应。以此为基础，我们还进一步研究了具有顺磁-铁磁转变的Ni-Mn-Ga合金在磁场驱动马氏体相变过程中的形状记忆效应，并首次提出了该类合金在相变过程中的负热膨胀效应。此外，本项目还对一些具有代表性的变磁性马氏体相变材料的其它磁功能效应作了较为全面的研究，如磁热效应、磁电阻效应及交换偏置行为等，并对这些效应背后机理作了较为深入地探讨。上述的研究结果为凝聚态物理及材料科学领域的研究工作提供了十分有意义的基础研究资料。