NiMnInCo磁热合金的绝热温变研究

Using the magnetocaloric effect for magnetic materials, magnetic refrigeration is a environmentally friendly and energy-efficient technology for cooling. Adiabatic temperature change is the most direct and efficient parameter to assess the magnetocaloric effect. The study of adiabatic temperature change and related influencing parameters will be very helpful to improve the magnetocaloric effect, and guide us to design a new magnetic cooling material or new composition in existing systems. In addition, we are allowed to compare the simulated results with that obtained in a real active magnetic regenerator machine. Based our previous results of discovering a giant magnetocaloric effect in Heusler-typed NiMnInCo alloys, the current proposal will continuously work on this system. Using the transition distribution model we have established, combined with the direct measurement, we will further improve the value of adiabatic temperature change in the limited field. We will study the composition dependence of the key parameters of magnetostructural transition. In order to reduce the transition interval and the magnetic field for driving a full transition from martensite to austenite, we will use the hot-mould directional solidification method to prepare the textured polycrystals. The purpose of this project is to optimize the intrinsic composition and microstructure, to explore the internship of magnetostructural parameters, microstructural evolution and magnetocaloric effect, and to develop new alloys exhibiting a low-field driven giant magnetocaloric effect.

利用磁性材料的磁热效应来制冷是一种环保、节能的新型制冷技术。绝热温变是最直接、最有效评价材料磁热效应的参数。研究绝热温变及其影响因素，对于材料磁热性能的挖掘具有重要指导意义，是开发新型磁制冷材料或新合金组分的理论基础，并可直接对比磁制冷机在真实环境下的运作能力。申请人已报道Heusler型NiMnInCo合金展现出巨大绝热温变。在此基础上，本项目采用自行开发的"相变分布"模型，结合直接测量绝热温变的实验手段，研究在宽成分范围内，影响绝热温变的相变特征参数（相变温度、相变温度的磁场敏感度、相变温度跨度等）对合金组分的依赖关系，通过优化合金成分来提高有限磁场下的绝热温变。此外，用热模定向凝固法制备取向多晶体，通过改善晶粒形态来缩小相变温度跨度，以降低相变驱动磁场。本研究对于探索磁结构相变的物理响应参数、微组织结构与磁热效应的内在关联，以及开发低场驱动大温变的新材料提供了重要理论和实验依据。

按照资助计划书要求，本项目主要开展了Heusler型NiMn基铁磁形状记忆合金的定向凝固制备、磁弹相变行为特性分析和磁场与应力下的绝热温变研究。针对不同合金体系，分别采用热模定向凝固、液态金属冷却定向凝固、光学浮区法定向凝固和深过冷定向凝固技术成功制备出Ni-Mn-In-Co取向多晶、Ni-Mn-Sn取向多晶、Co-Ni-Ga单晶和Fe-Pd多晶，获得了多种具有大绝热温变的样品，对定向凝固样品的微观组织和性能进行分析。主要实验结果包括：（1）利用热模定向凝固技术成功制备出[001]取向Ni45.7Mn36.6In13.3Co5.1多晶，率先在磁性材料中获得应力诱发3.5 K大温变，并揭示磁性形状记忆合金的温变来源，为弹热效应提供了理论指导，相关工作发表在Applied Physics Letters上，目前已被引用35次。（2）利用相变分布模型模拟了在不同偏置应力场下Ni50Mn31.5In16Cu2.5液态金属冷却定向凝固合金的磁热效应。将磁场敏感度（2 K/T），相变温度跨度（4 K），绝热温变最大值（13.3 K）和应力场敏感度（5.5 MPa/K）等参数输入到模型中，得到了相变的高斯分布曲线和绝热温变随磁场变化的动力学曲线，唯象半经验公式模拟结果显示，合金在单独施加4.5 T的磁场时显示了5.5 K的绝热温变，获得同样的绝热温变值所需要的磁场会随偏置应力场的增加而增加，在加场和去场过程中的绝热温变滞后和不可逆性会因偏置应力场的施加而得到大幅降低，为降低合金绝热温变不可逆性的提供了新方法，相关工作发表在Acta Materialia上。在项目资助下，共发表SCI论文26篇，影响因子大于3的论文19篇；申请专利10件，授权3件；培养博士研究生2名，硕士研究生5名。