NiFeMnAl中相变诱发的应变玻璃微观结构和磁性的研究

The discovery of strain glass enriches the research domain of the disordered materials and bring out brand-new potential applications. It also guides the discoveries and investigations of brand-new physical mechanisms in martensitic-phase-transformation systems. Due to the coexistence of magnetism and strain order, the magnetic strain glass will relate the magnetism and strain order in a new way and further expand the application scope of strain glass. This project chooses the martensitic-phase-transformation-indued magnetic strain glass in NiFeMnAl alloys which is observed for the first time as the research object.The microstructure will be revealed by using X-ray diffraction and high-resolution transmission electron microscopy(HRTEM). With the thermal behavior measurement and dynamic mechanical analyser(DMA), the physical mechanism of the formation of the strain glass in NiFeMnAl will be investigated. Based on the analysis of a variety of magnetic measurements and first-principle calculations, the magnetism of the strain glass and the relationship between the microstructure and magnetism will be studied. The reason why the magnetization of strain glass is much smaller than the parent phase will be found out. The exchange bias effect and magnetic resistance effect will also be studied and the physical mechanism of the microstructure affecting these two effects will be discussed. This project will deepen the understanding of the microstructure and magnetism of magnetic strain glass and provide guidances for regulating the functions of magnetic strain glass by controlling the microstructure.

应变玻璃的发现丰富了无序材料的研究领域，带来了全新的应用潜力并引导了马氏体相变体系中全新物理机制的发现和研究。由于同时存在磁性和应变序，磁性应变玻璃将把晶格畸变与磁性以更新的方式关联，从而进一步拓展应变玻璃的应用范围。本项目以NiFeMnAl中首次观察到的马氏体相变诱发的磁性应变玻璃为研究对象，通过X射线衍射、高分辨透射电镜研究该应变玻璃的微观结构，结合热行为测量和动态机械测量等手段分析其形成的物理机制，综合多种磁测量手段分析该应变玻璃的磁性，结合第一性原理计算研究其磁性与微观结构的关联，揭示该应变玻璃磁性远低于母相而接近马氏体相的内在物理机制。我们还将研究该磁性应变玻璃的交换偏置效应和磁电阻效应，并进一步分析微观结构对这两种物理效应的影响机制。这些研究结果将进一步深化对磁性应变玻璃微观结构和磁性的认识，并为通过控制磁性应变玻璃的微观结构，调节其各种功能特性进而开展实际应用提供科学指导。

应变玻璃转变是一类普遍存在于马氏体相变材料中的特殊转变。在应变玻璃中，母相经历了一个随机分布的纳米尺寸的马氏体应变畴被冻结的过程，在低温下形成短程有序但长程无序的应变玻璃态。应变玻璃转变不同于马氏体转变，微观结构未发现长程马氏体，并表现出动态冻结和各态遍历破缺等重要的玻璃转变特征。虽然在冻结过程中未发生宏观马氏体转变，这种材料却可以表现优异的形状记忆效应和超弹性。由于这类新型转变对于揭示玻璃转变、结构弛豫等基本物理问题具有重要的科学意义，还可能带来全新的智能特性及应用，因而成为目前研究的热点。本项目以NiFeMnAl 中马氏体相变诱发的磁性应变玻璃为研究对象，采用熔炼、吸铸和甩带的方法制备了多种成分的NiFeMnAl合金，通过X 射线衍射、高分辨透射电镜等方法研究该应变玻璃的微观结构，结合热行为测量和动态机械测量等手段分析其形成的物理机制，采用交流磁化率、VSM和SQUID等多种手段测量了合金的磁性和相变过程中的磁耦合。并结合第一性原理计算研究其磁性与微观结构的关联，揭示了该应变玻璃磁性远低于母相而接近马氏体相的内在物理机制。实验结果表明某些成分的NiFeMnAl合金制备成母相后，如果经过温度诱发的马氏体相变，则转变成应变玻璃，而如果经过外应力诱发的马氏体相变，则转变为马氏体。这个新现象对于研究该材料的马氏体相变和磁性是一个创新性的发现和新的探索窗口。此外，我们还发现NiFeMnAl合金中应变玻璃的产生与否对原子占位的有序度非常敏感。当原子占位混乱时，相变诱发应变玻璃，而当混乱度相对降低一些后，马氏体相变转变为可回复的相变。这些结果的发现表明，这类材料的相变-应变玻璃行为非常复杂和有趣，有待于进一步探索其物理本质。