ti掺杂对nimnsn合金的磁热效应的影响【字数：10174】
摘 要形状记忆合金（SMAS）是指具有一定初始形状的合金，在塑性变形后将其加热到一定的临界温度以上，并在低温下条件固定到另一个形状，从而恢复到初始形状。该合金作为一种性能独特的新型功能材料，在各个领域得到了广泛的研究和应用。Ni-Mn基铁磁形状记忆合金是该合金中的一种重要材料。本文将对其性质进行研究。本文对掺Ti的Ni-Mn-Sn铁磁形状记忆合金进行了实验研究和讨论。我们将从晶体结构、马氏体相变、温度和磁场、磁熵变等方面研究掺Ti的Ni-Mn-Sn磁形状记忆合金的性能。
目 录
1. 绪论 1
1.1引言 1
1.2基本概念 2
1.2.1奥氏体和马氏体的晶体结构 2
1.2.2磁结构耦合与磁行为 4
1.3合成与表征方法 6
1.4微观结构对性能的影响 8
1.5总结 9
2. 样品的制备与性能表征 10
2.1样品的制备 10
2.1.1 真空电弧熔炼 10
2.2 样品的性能表征 10
2.2.1 X射线衍射(XRD) 10
2.2.2磁学测量系统（MPMS） 11
3. 结果与分析 13
3.1 晶体的结构 13
3.2样品的磁热效应 14
4．总结 17
5．参考文献 18
6．致谢 20
1. 绪论
1.1引言
多铁性[1]是指材料中同时表现出铁磁性、铁电性和铁弹性的多铁性行为。每个的特征在于当磁性，电性或弹性切换时存在明显的磁滞回线。各种因素如化学、对称性、导电性（导体/绝缘体）、机械变形等，对多铁性材料没有任何限制。因此，可以通过实现具有不太可能的特性的阶段的共存来设计多铁性行为。几种情况，如（a）阶段之间的相界，（b）通过应用场或压力的相变，（c）应满足足够快的转化动力学[2]和（d）可逆性。材料中的马氏体相变是实现多铁行为的基础。通过调整组成确保了相之间的可逆性和相容性，铁基可以有序结合在一起，具有很大的应用潜力。1903年由弗里茨海斯勒发现的海斯勒材料[3]（例如，Cu2MnAl：磁性，即使组成元素是非磁性 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072^
的；TiNiSn：半导体，即使组成元素是金属），通过马氏体相变是多铁的。NiMnX（X= IIIA–VA族元素）Heusler材料中的多铁效应构成了本文的主题。其中最显著的影响是磁/磁形状记忆（MSM/MMSM）、磁热（MC）和直接能量转换。
在这些材料的讨论中，术语MSM/MMSM无处不在。马氏体转变在产物（马氏体）相中产生变体，其具有低于居里点的磁畴。在施加磁场并赋予材料强磁各向异性后，马氏体变体通过利用其塞曼能级的差异，以类似于在施加应力下通过双边界运动重新排列的方式旋转，从而使其易轴在施加磁场的方向上。加热到高于奥氏体终温时，产品相恢复到母相，磁场作用下的大变形可以恢复。这就是磁形状记忆效应。研究发现，大磁流变的必要条件是低孪生应力和高能量的磁各向异性。当磁各向异性能量密度K > ε0σtw（ε0σtw 机械驱动力）时，磁场控制应变响应ε（MSM）应该等于孪晶允许的最大应变ε0=（1c / a，c和a是四方晶体结构的晶格参数）。另一方面，在非化学计量比的无镓合金中观察到的偏磁形状记忆效应，是指在磁场作用下，从产品相到母相的反向马氏体转变引起大应变加热后的可恢复性，重点是从马氏体到奥氏体。
磁热效应是由外加磁场、量热测量或磁化等温线引起的熵变化。通常，它是由应用或去除外部磁场时发生的绝热温度变化或等温熵变化来量化的。对于铁磁Heusler合金中的最佳成分，当转变处的磁化变化最大时，等温场诱导熵（?S）和绝热场诱导温度（?T）变化的乘积最大。人们对磁热材料的研究兴趣是因为在室温下发现了Gd5（Si2Ge2）中的巨磁热效应（GMCE）。随后对NiMnX合金中的MCE进行了研究，其中NiMnGa系统的研究最多。观察到的大的等温熵变化被分解成由自旋晶格耦合引起的磁和结构熵变化，发生在马氏体转变温度和磁转变温度彼此接近的点。熵变的正值称为逆效应，它与马氏体相的磁晶各向异性有关。当马氏体转变和居里温度之间的差异是一个可测量的值时，反作用更为明显。相反地，负熵变化被称为常规效应，当马氏体转变温度接近居里温度时，在更高的应用场值下发生由逆变为常规的变化。如Ni0.50Mn0.50?xSnx, Ni50Mn35Sn15和 Ni50Mn33.66Cr0.34In16等合金，据报道它们具有逆/常规磁热/巨磁热效应。多晶Ni45Mn43CrSn11合金表现出较大的逆磁热效应，磁熵和总熵分别为35 J/kgK 和 39.7 J/kgK。
热能（废热）直接转换为电是较新的研究现象，表现为一种奇异的四元铁磁Heusler合金。利用由相变引起的偏压磁场中突然的、大的热感应磁化变化，产生0.6mV的电压。 这是利用磁化M，磁感应（磁通密度）B和磁场H之间的基本偶极关系，由B = H +4πM和，基于磁结构变换基本上诱导非零dB / dt的法拉第定律给出。 正如研究人员所设想的那样，这种现象可以进入实际应用阶段，这种合金有潜力用于从低于200摄氏度的低废热源中收集能量[4]。
出于所有意图和目的，合成和微结构在这些材料的功能中起着至关重要的作用。这类材料制备出了大量合金，ISI科学网每年出版的出版物数量也证明了这一点。此外，评论文章已发表在MSM/MMSM材料和磁热材料上。
特别是MCE，也正在研究使用尺寸减小的材料，如薄膜、带状物和微丝。尽管有大量关于多铁材料的文献，但对合成程序和微观结构如何影响它们的磁结构性质的评论是有限的。本文主要局限于基于NiMn的MSM/MMSM和MC材料，因为不可能总结出大量关于铁磁合金系统的出版物的数据，其中大多数只是报告了一种具有增强磁结构特性的新成分。本文的目的是为非初涉研究者提供足够的信息，以便他们有意义地引导他们的研究，并为将这些多铁材料的领域从实验扩展到实际应用做出贡献。
本文的第一部分讨论了材料中多铁行为的基本概念。第二部分简单介绍了这类材料的合成和表征，以及一些设计输入。第三部分研究了各种铁磁Heusler合金的磁结构特征是如何受到微观结构特征的影响的。
目 录
1. 绪论 1
1.1引言 1
1.2基本概念 2
1.2.1奥氏体和马氏体的晶体结构 2
1.2.2磁结构耦合与磁行为 4
1.3合成与表征方法 6
1.4微观结构对性能的影响 8
1.5总结 9
2. 样品的制备与性能表征 10
2.1样品的制备 10
2.1.1 真空电弧熔炼 10
2.2 样品的性能表征 10
2.2.1 X射线衍射(XRD) 10
2.2.2磁学测量系统（MPMS） 11
3. 结果与分析 13
3.1 晶体的结构 13
3.2样品的磁热效应 14
4．总结 17
5．参考文献 18
6．致谢 20
1. 绪论
1.1引言
多铁性[1]是指材料中同时表现出铁磁性、铁电性和铁弹性的多铁性行为。每个的特征在于当磁性，电性或弹性切换时存在明显的磁滞回线。各种因素如化学、对称性、导电性（导体/绝缘体）、机械变形等，对多铁性材料没有任何限制。因此，可以通过实现具有不太可能的特性的阶段的共存来设计多铁性行为。几种情况，如（a）阶段之间的相界，（b）通过应用场或压力的相变，（c）应满足足够快的转化动力学[2]和（d）可逆性。材料中的马氏体相变是实现多铁行为的基础。通过调整组成确保了相之间的可逆性和相容性，铁基可以有序结合在一起，具有很大的应用潜力。1903年由弗里茨海斯勒发现的海斯勒材料[3]（例如，Cu2MnAl：磁性，即使组成元素是非磁性 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072^
的；TiNiSn：半导体，即使组成元素是金属），通过马氏体相变是多铁的。NiMnX（X= IIIA–VA族元素）Heusler材料中的多铁效应构成了本文的主题。其中最显著的影响是磁/磁形状记忆（MSM/MMSM）、磁热（MC）和直接能量转换。
在这些材料的讨论中，术语MSM/MMSM无处不在。马氏体转变在产物（马氏体）相中产生变体，其具有低于居里点的磁畴。在施加磁场并赋予材料强磁各向异性后，马氏体变体通过利用其塞曼能级的差异，以类似于在施加应力下通过双边界运动重新排列的方式旋转，从而使其易轴在施加磁场的方向上。加热到高于奥氏体终温时，产品相恢复到母相，磁场作用下的大变形可以恢复。这就是磁形状记忆效应。研究发现，大磁流变的必要条件是低孪生应力和高能量的磁各向异性。当磁各向异性能量密度K > ε0σtw（ε0σtw 机械驱动力）时，磁场控制应变响应ε（MSM）应该等于孪晶允许的最大应变ε0=（1c / a，c和a是四方晶体结构的晶格参数）。另一方面，在非化学计量比的无镓合金中观察到的偏磁形状记忆效应，是指在磁场作用下，从产品相到母相的反向马氏体转变引起大应变加热后的可恢复性，重点是从马氏体到奥氏体。
磁热效应是由外加磁场、量热测量或磁化等温线引起的熵变化。通常，它是由应用或去除外部磁场时发生的绝热温度变化或等温熵变化来量化的。对于铁磁Heusler合金中的最佳成分，当转变处的磁化变化最大时，等温场诱导熵（?S）和绝热场诱导温度（?T）变化的乘积最大。人们对磁热材料的研究兴趣是因为在室温下发现了Gd5（Si2Ge2）中的巨磁热效应（GMCE）。随后对NiMnX合金中的MCE进行了研究，其中NiMnGa系统的研究最多。观察到的大的等温熵变化被分解成由自旋晶格耦合引起的磁和结构熵变化，发生在马氏体转变温度和磁转变温度彼此接近的点。熵变的正值称为逆效应，它与马氏体相的磁晶各向异性有关。当马氏体转变和居里温度之间的差异是一个可测量的值时，反作用更为明显。相反地，负熵变化被称为常规效应，当马氏体转变温度接近居里温度时，在更高的应用场值下发生由逆变为常规的变化。如Ni0.50Mn0.50?xSnx, Ni50Mn35Sn15和 Ni50Mn33.66Cr0.34In16等合金，据报道它们具有逆/常规磁热/巨磁热效应。多晶Ni45Mn43CrSn11合金表现出较大的逆磁热效应，磁熵和总熵分别为35 J/kgK 和 39.7 J/kgK。
热能（废热）直接转换为电是较新的研究现象，表现为一种奇异的四元铁磁Heusler合金。利用由相变引起的偏压磁场中突然的、大的热感应磁化变化，产生0.6mV的电压。 这是利用磁化M，磁感应（磁通密度）B和磁场H之间的基本偶极关系，由B = H +4πM和，基于磁结构变换基本上诱导非零dB / dt的法拉第定律给出。 正如研究人员所设想的那样，这种现象可以进入实际应用阶段，这种合金有潜力用于从低于200摄氏度的低废热源中收集能量[4]。
出于所有意图和目的，合成和微结构在这些材料的功能中起着至关重要的作用。这类材料制备出了大量合金，ISI科学网每年出版的出版物数量也证明了这一点。此外，评论文章已发表在MSM/MMSM材料和磁热材料上。
特别是MCE，也正在研究使用尺寸减小的材料，如薄膜、带状物和微丝。尽管有大量关于多铁材料的文献，但对合成程序和微观结构如何影响它们的磁结构性质的评论是有限的。本文主要局限于基于NiMn的MSM/MMSM和MC材料，因为不可能总结出大量关于铁磁合金系统的出版物的数据，其中大多数只是报告了一种具有增强磁结构特性的新成分。本文的目的是为非初涉研究者提供足够的信息，以便他们有意义地引导他们的研究，并为将这些多铁材料的领域从实验扩展到实际应用做出贡献。
本文的第一部分讨论了材料中多铁行为的基本概念。第二部分简单介绍了这类材料的合成和表征，以及一些设计输入。第三部分研究了各种铁磁Heusler合金的磁结构特征是如何受到微观结构特征的影响的。
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