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東北大學(xué)《Scripta》：磁性形狀記憶合金的馬氏體穩(wěn)定性及物理性能

2021-08-11 12:01:05 作者：材料科學(xué)與工程來(lái)源：材料科學(xué)與工程分享至：

超磁性形狀記憶合金是執(zhí)行器和傳感器的潛在候選材料。特別是Ni-（Co）-Mn-In合金具有大約3%的輸出應(yīng)變和超過(guò)100MPa的輸出應(yīng)力，伴隨著巨大的磁熱效應(yīng)等。這些優(yōu)異的綜合性能在磁驅(qū)動(dòng)和磁制冷等實(shí)際應(yīng)用中具有重要意義。根據(jù)化學(xué)成分的不同，已證明三元合金中的馬氏體相分為兩大類，即調(diào)質(zhì)和非調(diào)質(zhì)（NM），調(diào)質(zhì)馬氏體主要包括斜方四層（4O）、單斜五層（5M）、單斜六層（6M）和單斜七層（7M）結(jié)構(gòu)。磁場(chǎng)誘導(dǎo)的形狀記憶效應(yīng)僅在調(diào)質(zhì)馬氏體中實(shí)現(xiàn)。然而大量研究表明，隨著外部條件的變化，調(diào)質(zhì)馬氏體進(jìn)一步轉(zhuǎn)變?yōu)镹M馬氏體，調(diào)質(zhì)馬氏體的亞穩(wěn)定性限制了這些合金的應(yīng)用。因此，許多研究致力于拓寬調(diào)質(zhì)馬氏體溫度范圍。到目前為止，還沒有關(guān)于第一性原理計(jì)算研究的Ni-Mn-In合金中5M和7M馬氏體相穩(wěn)定性的報(bào)道。

來(lái)自東北大學(xué)，燕山大學(xué)等單位的研究人員通過(guò)第一性原理計(jì)算和實(shí)驗(yàn)研究了Ni50Mn35In15合金中5M和7M調(diào)質(zhì)馬氏體的相穩(wěn)定性和相關(guān)物理性能，可以根據(jù)狀態(tài)密度和微分電荷密度分析來(lái)確定相的穩(wěn)定性。相關(guān)論文以題為“5M and 7M martensitic stability and associated physical properties in Ni50Mn35In15 alloy: first-principles calculations and experimental verification”發(fā)表在Scripta Materialia。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2021.114140

本研究通過(guò)定向凝固制備了名義成分為Ni50Mn35In15的多晶樣品。為了使合金成分均勻，樣品在氬氣環(huán)境下進(jìn)行1173K×24h退火（水淬）。為了確定晶體結(jié)構(gòu)，將合金研磨成粉末并密封在真空石英管中進(jìn)行873K×5h退火。

研究發(fā)現(xiàn)具有亞鐵磁性（FIM）的5M和NM馬氏體的能量低于其FM態(tài)的馬氏體，其他相正好相反。這表明奧氏體（A）和7M相表現(xiàn)出鐵磁性，而5M和NM馬氏體是亞鐵磁性。通過(guò)計(jì)算得知形成7M馬氏體所需能量低于5M和NM馬氏體。這意味著5M馬氏體是亞穩(wěn)態(tài)相，而7M馬氏體是熱力學(xué)最穩(wěn)定的相。一般認(rèn)為調(diào)質(zhì)馬氏體有很大的趨勢(shì)最終轉(zhuǎn)變?yōu)镹M馬氏體。

圖1 不同相的結(jié)構(gòu)示意圖以及磁性配置

圖2 不同馬氏體狀態(tài)下的各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖3 不同相的磁矩及密度

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和第一性原理計(jì)算，可以確定7M馬氏體是Ni50Mn35In15合金中最穩(wěn)定的相。這也與原位TEM的結(jié)果一致。Ni原子不僅與MnMn鍵合，還與MnIn鍵合。與NM馬氏體相比，7M馬氏體的Ni-Mn結(jié)合強(qiáng)度有所提高。Jahn-Teller效應(yīng)和Ni-Mn鍵合能力都有助于形成最穩(wěn)定的7M馬氏體。

總的來(lái)說(shuō)，本文設(shè)計(jì)了一系列不同馬氏體相的Ni50Mn35In15合金，通過(guò)第一性原理計(jì)算和實(shí)驗(yàn)表明該合金經(jīng)歷了磁結(jié)構(gòu)耦合轉(zhuǎn)變（即鐵磁奧氏體-亞鐵磁5M馬氏體-鐵磁7M馬氏體），確定了7M馬氏體由于Ni和Mn原子間的強(qiáng)鍵合能力而成為最穩(wěn)定的相。本文研究成果對(duì)未來(lái)磁性記憶材料的開發(fā)和磁性材料的實(shí)際應(yīng)用有一定指導(dǎo)意義。（文：破風(fēng)）

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