铁磁形状记忆合金界面移动的孤子理论及其磁控超弹性

采用多种测量手段对铁磁形状记忆合金在温度场、磁场、应力场作用及复合作用下的物性进行表征，观测和研究马氏体相变界面、中间马氏体相变界面和孪晶界面特性及其在单轴磁场和应力作用下的特性和孤子运动特征，观测研究材料的晶体结构和磁畴结构及其演化。根据物性分析和实验数据，结合理论知识建立合适的界面运动模型和非线性方程，分别通过解析（反散射方法）和数值计算的方法，求解非线性运动方程，用孤子理论描述界面运动的规律，阐明界面行为与形状记忆效应和磁感生应变的内在联系，为指导新型磁驱动记忆合金的探索奠定理论基础。此外，系统研究NiMnGa单晶的磁控超弹性特性，探索其能够作为磁控超弹性元器件材料的合金成分、热处理及预处理等工艺，以开发材料新的应用功能。

哈斯勒合金Ni-Mn-Ga是一个典型的新型智能材料和新型功能材料，它展现的丰富物性近些年引起了材料学界和凝聚态学界广泛的研究兴趣。首先，该材料是一个典型的具有铁磁性的金属间化合物，通常发生从立方L21 结构到一个复杂四方结构或复杂正交结构的马氏体相变。第二，伴随该马氏体相变，材料展示出非常大的自发的或磁控的双向形状记忆效应、磁诱导的应变、超弹性、磁电阻效应和磁熵变（磁卡效应）。第三，材料马氏体相的变体组分、它们的结构、以及转变序列强烈依赖材料的成分。对于一些非正配分比的Ni-Mn-Ga合金，在室温附近，除发生马氏体相变外，通常还发生中间马氏体相变或预马氏体相变，而且这些相变可由温度也可由应力诱发。因此，对该材料的进一步研究无论在理论上还是在应用上都有十分重要的意义。. 制备了各种成分配比的Ni-Mn-Ga单晶，并用多种手段测量了它们的物性。实验表明Ni53.2Mn22.6Ga24.2单晶发生的两步马氏体相变行为是完全热弹性的。在磁场作用下，该材料的马氏体相变和中间马氏体相变展现出相同的应变特征，且具有磁控双向形状记忆效应。磁场下应力--应变特性的测量结果表明，磁场不但对压应力诱发马氏体相变过程中变体重取向所需应力的大小有影响，而且使原来不可逆的形变成为可逆，这种磁控超弹性特性预示了该合金用作磁控超弹性元器件材料的可能性。进一步的观察表明，材料的孪晶界移动展现出明显的孤子运动特征。. 系统研究了近正配分比Ni50.3Mn24.5Ga25.2 单晶的预马氏体相变特性,以及退火和淬火对材料预相变特性的影响。同时，研究了不同方向磁场对预相变应变干预的结果．利用软模凝结的概念和依据单晶生长的特点，分析了预相变应变产生的机理．而磁场干预预相变应变的机理是磁场增大的磁弹耦合导致的晶格形变与材料内禀形变的竞争。利用磁性测量结果证实和解释了预相变过程中[001]、[010]和［100］轴方向间进一步增大的各向异性。进而对磁场沿[001]、[010]和［100］轴方向三个晶体学方向所导致的应变特性的差别，包括最大磁致伸缩、饱和预相变应变、饱和场等，进行了分析和讨论。. 进一步研究了多种孤子方程的显式解。此外，在本项目的资助下，还研究了Heusler型合金的反带结构和拓扑绝缘性、金属间化合物的结构和磁性、以及ZnO 掺杂纳米管阵列的各种物性。