NiMnSnCo磁制冷材料快速凝固过程及微观结构研究

Melt spinning technique has attracted more attention for the fabrication of NiMn-based magnetocaloric materials, however, little information on the solidification process can be found. Therefore, in this proposal we suggest to develop super-performance low-cost NiMnSnCo materials. Supersaturated cobalt atoms will be doped into NiMnSn matrix, i.e., the studied subjects will be (NiMnSn)(100-x)Cox materials, different from conventional atomic substitution mode. The phase selection and competition behavior will first be analyzed and based on this, the composition range and fabrication conditions will be obtained for the metastable single-phase materials, and then the martensitic transformation, magnetic transition behavior and magnetic properties will be investigated. Advanced atom probe tomography will be introduced to detect atoms one by one, the atomic site occupation will be accurately reconstructed, together with x-ray diffraction technique, the information on the atomic structure will be clarified. The scientific significance is to reveal the internal link between atomic structure and magnetic properties, and to explore how to control the solidification process, and we expect that the research could provide technical supports and theoretical evidence for the future development of NiMn-based magnetocaloric materials.

单辊快速凝固技术在NiMn基磁制冷材料制备中倍受青睐，但现有研究对凝固过程关注较少。本项目综合考虑磁性原子合金化效应，利用单辊快速凝固技术能够显著提高固溶度的特性，将高比例Co原子以整体掺杂的方式强制固溶进入NiMnSn基体中，探索通过凝固过程控制，制备超性能低成本NiMnSnCo磁制冷材料的可能性。在项目开展过程中，首先对凝固过程中NiMnSnCo材料的物相选择及竞争行为进行分析，确定出获取单相材料的成分范围及条件；其次在考察材料结构相变、磁性转变以及磁性能的基础上，将先进的原子探针层析技术引入结构分析中，逐个探测原子，重构材料三维空间中不同种类原子的排布，结合X射线衍射技术，从原子层面解析其微观结构特征。本项目的科学意义在于从原子层面揭示材料结构与性能之间的内在关系，探索凝固过程控制技术，为新型NiMn基磁制冷材料的研发提供技术支持和理论依据。

Heusler型NiMn基磁制冷材料在低碳环保绿色节能的社会发展理念下受到越来越多的关注。原定申请书中拟研究内容为：（1）揭示快速凝固Ni–Mn–Sn(Co)材料物相选择及竞争规律；（2）精细解析Ni–Mn–Sn(Co)材料物相结构微观特征；（3）梳理结构相变及磁学性能行为与制备条件之间的内在关系。通过本项目的开展，得到以下几点主要研究成果：（1）揭示了快速凝固Ni–Mn–Sn–Co材料物相选择及竞争规律，发现随着过量Co元素的加入，通过离异共晶反应在薄带材料中可能形成Ni17Sn13型第二相；（2）采用高分辨透射电镜全面精细解析Heusler型Ni–Mn–Sn(Co)材料物相结构，构建出马氏体结构相变过程中多因素成分相关性；（3）采用差示扫描量热技术，澄清了Heusler型Ni–Mn–Sn材料热弹性马氏体相变的绝热本质，提出一个新的相变迁移模型，解决了热弹性相变的时间属性争议；（4）将快速凝固Heusler型Ni–Mn–Sn薄带材料相变迟滞效应认知推进至纳米尺度，根据透射电镜观察到的孪晶变体泥巴状断裂特征，提出局域压力约束相变迟滞效应机理；（5）探索制备出高性能富Mn型Mn–Ni–In磁制冷材料。上述研究成果对于深入理解Heusler型Ni–Mn–Sn(Co)材料微观物相结构以及相变过程控制有着重要的科学意义和应用价值。