mnnicosn合金磁熵变的研究【字数：8549】
磁制冷技术是一种绿色环保高效的新型制冷技术，有望替代传统的气体压缩式制冷方式。作为磁制冷机的核心，磁制冷材料的磁热效应是限制磁制冷技术商业化的主要因素。材料的等温磁熵变是表征材料磁热效应的一个重要指标。在一级相变材料附近，由于磁滞和热滞的存在，使磁熵变的确定存在很多争议。通常，磁熵变的确定采用测量不同温度的热磁曲线，用Maxwell关系来计算。在本文中，我们研究了Mn46Co4Ni40Sn10合金在马氏体相变附近的磁化过程，提出了通过不同磁场下的磁热曲线来确定磁熵变。这种方法测量快速简单，给快速评估材料的磁热效应提供了方便。
目 录
1.绪论 1
1.1引言 1
1.2磁致应变 2
1.3马氏体相变 2
1.4 NiMn赫斯勒合金 4
1.5 磁滞回线 6
2.样品制备及性能表征 8
2.1样品制备 8
2.1.1电弧熔炼 8
2.1.2熔体快淬 8
2.1.3后续退火 9
2.2性能表征 9
2.2.1 X射线衍射(XRD) 9
2.2.2 磁学测量系统（MPMS3） 10
3.结果与讨论 11
3.1 Mn46Co4Ni40Sn10合金的X射线衍射 11
3.2 Mn46Co4Ni40Sn10合金的热磁曲线 11
3.3不同磁场下的热磁曲线 12
3.4 Mn46Co4Ni40Sn10合金的等温磁化曲线 14
3.5 磁熵变的两种计算方法 14
小结 17
参考文献 18
致谢 20
1.绪论
1.1引言
随着科学技术的快速发展，智能材料作为材料科学的一个重要部分,已成为当今社会的时代焦点。当附近的环境发生变化时，智能材料可以感受到并作出与之相关的反应。智能材料根据分类是由金属智能材料、无机非金属智能材料和高分子智能材料组成的。其中我们对记忆合金的研究甚为重视，其原始形状在某些条件下变形并固定到另一种形状之后，通过施加合适的外部温度和压力并调节诸如形状，位置和伸长率的机械参数,可以将材料恢复 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: &351916072&
到其原始形状。一般来说，这些金属材料具有磁记忆特性。磁记忆特性意味着当面对应变磁场时，材料可以表现出大的响应能力。这种应变是通过马氏体相变或马氏体变体的重新排列而形成的。材料在发生马氏体相变的过程中会产生磁性和相互作用，导致初期产生超弹性效应，随后系统会显示形状记忆效应。与此同时我们可以在这个过程中看到巨磁电阻、交换偏置等物理现象。
磁性形状记忆性能与一种特殊类型的磁致伸缩有关，这种磁致伸缩是由马氏体相变驱动的。这些材料除了标准（机械）形状[1]外，形状的变化可以通过诱导转换，或者通过施加适当的磁场使马氏体发生变化。在第一种情况下，可以观察到磁超弹性效应，相对于第一种情况，第二种情况下，我们可以在系统中看到磁性形状记忆效应。在这两种情况下，磁场引起的形变都比传统磁致伸缩材料（如特丰材料和相关的稀土化合物）的形变大得多（一到两个数量级）。
纵观历史，在Ullakko等人[2]证明了赫斯勒 Ni2MnGa合金可以在磁场诱导下发生相变，随后磁性形状记忆材料的研究开始受到了极大的关注。作者已经解释过，巨大的应变是磁场诱导的结果。虽然这篇论文确实引发了这一领域的研究，但这一课题确实有个史前史，至少可以追溯到由Liberian和Graham[3]发表的论文。
没过多久Ullakko和同事发表了研究报告，当压力到达峰值时，单晶可以在小于1T的磁场诱导下完整去孪。当前一些Heusler[4,5,6]合金以及其他金属间磁性材料[7]和磁性氧化物[8]也发现了相似的行为。
最近，一种新型的a类磁性形状记忆材料被开发出来，这种材料表现出磁超弹性行为[9]。在这些材料中，通过磁致马氏体相变可以获得较大的应变。值得指出的是，在材料中，通常是在磁场作用下，从马氏体到母相的反向转变。化学计量NiMn基合金是这一范畴的典型材料，它们常被归为超磁性形状记忆材料。磁超弹性需要在转变过程中发生磁矩的大幅度变化，而不是大的磁晶各向异性。
综上所述，NiMn基赫斯勒材料表现出丰富多样的磁性行为，并具有相关的多动能特性，除了磁性和非磁性形状记忆特性外，还包括磁致效应[10]，磁热值和交换偏置属性。目前，对磁性和超磁性形状记忆材料的研究，包括新材料的开发、表征以及对产生多功能行为的物理机制的理解，是一个成熟、不断扩展的研究领域。
1.2磁致应变
我们在研究磁性材料时，铁磁形状的记忆合金中有磁场驱动相变[11]和磁场下的孪晶马氏体重排[12]产生磁致应变这两种机制。前者和传统的Heusler 合金的应力和受温度驱动的马氏体相变大致相同。但也存在一些不同，比如磁场驱动相变的驱动力是塞曼能。然而，因为塞曼能对晶粒取向不敏感，这种效应在多晶体中经常发生。在第二种机制中，应变是由磁晶的各向异性能驱动的，同时我们发现NiMnGa材料十分具有典型性，它的单晶磁致应变已经可以达到10%。早在2006年，Kainuma和同事们[13]就测定了NiMnCoIn单晶的磁应变。这类合金在马氏体相变温度下具有显著的超弹性行为，而且由于从弱磁的马氏体相转变到铁磁的奥氏体相，因此会比一般的合金更大。他们起初将NiMnCoIn单晶材料在低温马氏体相下预压缩3%，然后施加磁场到7 T，当塞曼能够驱动马氏体相向奥氏体相转变时，产生约2.9%的应变。
1.3马氏体相变
马氏体最早是在钢淬火中被发现，人们把奥氏体转变为马氏体的相变称为马氏体相变[14]。20世纪后，人们在其他纯金属和合金中发现了马氏体转变。
马氏体相变有热效应和体积效应。马氏体相变不能改变其母相的组成，原子级和晶体缺陷，因为马氏体相变不会扩散且其原子不能穿越界面。原子有规律的频繁移动使得马氏体与母相之间的位置关系发生错位。同时研究发现，一般而言，铁基马氏体和非铁基马氏体的位置都具有特定的偏差。
目 录
1.绪论 1
1.1引言 1
1.2磁致应变 2
1.3马氏体相变 2
1.4 NiMn赫斯勒合金 4
1.5 磁滞回线 6
2.样品制备及性能表征 8
2.1样品制备 8
2.1.1电弧熔炼 8
2.1.2熔体快淬 8
2.1.3后续退火 9
2.2性能表征 9
2.2.1 X射线衍射(XRD) 9
2.2.2 磁学测量系统（MPMS3） 10
3.结果与讨论 11
3.1 Mn46Co4Ni40Sn10合金的X射线衍射 11
3.2 Mn46Co4Ni40Sn10合金的热磁曲线 11
3.3不同磁场下的热磁曲线 12
3.4 Mn46Co4Ni40Sn10合金的等温磁化曲线 14
3.5 磁熵变的两种计算方法 14
小结 17
参考文献 18
致谢 20
1.绪论
1.1引言
随着科学技术的快速发展，智能材料作为材料科学的一个重要部分,已成为当今社会的时代焦点。当附近的环境发生变化时，智能材料可以感受到并作出与之相关的反应。智能材料根据分类是由金属智能材料、无机非金属智能材料和高分子智能材料组成的。其中我们对记忆合金的研究甚为重视，其原始形状在某些条件下变形并固定到另一种形状之后，通过施加合适的外部温度和压力并调节诸如形状，位置和伸长率的机械参数,可以将材料恢复 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: &351916072&
到其原始形状。一般来说，这些金属材料具有磁记忆特性。磁记忆特性意味着当面对应变磁场时，材料可以表现出大的响应能力。这种应变是通过马氏体相变或马氏体变体的重新排列而形成的。材料在发生马氏体相变的过程中会产生磁性和相互作用，导致初期产生超弹性效应，随后系统会显示形状记忆效应。与此同时我们可以在这个过程中看到巨磁电阻、交换偏置等物理现象。
磁性形状记忆性能与一种特殊类型的磁致伸缩有关，这种磁致伸缩是由马氏体相变驱动的。这些材料除了标准（机械）形状[1]外，形状的变化可以通过诱导转换，或者通过施加适当的磁场使马氏体发生变化。在第一种情况下，可以观察到磁超弹性效应，相对于第一种情况，第二种情况下，我们可以在系统中看到磁性形状记忆效应。在这两种情况下，磁场引起的形变都比传统磁致伸缩材料（如特丰材料和相关的稀土化合物）的形变大得多（一到两个数量级）。
纵观历史，在Ullakko等人[2]证明了赫斯勒 Ni2MnGa合金可以在磁场诱导下发生相变，随后磁性形状记忆材料的研究开始受到了极大的关注。作者已经解释过，巨大的应变是磁场诱导的结果。虽然这篇论文确实引发了这一领域的研究，但这一课题确实有个史前史，至少可以追溯到由Liberian和Graham[3]发表的论文。
没过多久Ullakko和同事发表了研究报告，当压力到达峰值时，单晶可以在小于1T的磁场诱导下完整去孪。当前一些Heusler[4,5,6]合金以及其他金属间磁性材料[7]和磁性氧化物[8]也发现了相似的行为。
最近，一种新型的a类磁性形状记忆材料被开发出来，这种材料表现出磁超弹性行为[9]。在这些材料中，通过磁致马氏体相变可以获得较大的应变。值得指出的是，在材料中，通常是在磁场作用下，从马氏体到母相的反向转变。化学计量NiMn基合金是这一范畴的典型材料，它们常被归为超磁性形状记忆材料。磁超弹性需要在转变过程中发生磁矩的大幅度变化，而不是大的磁晶各向异性。
综上所述，NiMn基赫斯勒材料表现出丰富多样的磁性行为，并具有相关的多动能特性，除了磁性和非磁性形状记忆特性外，还包括磁致效应[10]，磁热值和交换偏置属性。目前，对磁性和超磁性形状记忆材料的研究，包括新材料的开发、表征以及对产生多功能行为的物理机制的理解，是一个成熟、不断扩展的研究领域。
1.2磁致应变
我们在研究磁性材料时，铁磁形状的记忆合金中有磁场驱动相变[11]和磁场下的孪晶马氏体重排[12]产生磁致应变这两种机制。前者和传统的Heusler 合金的应力和受温度驱动的马氏体相变大致相同。但也存在一些不同，比如磁场驱动相变的驱动力是塞曼能。然而，因为塞曼能对晶粒取向不敏感，这种效应在多晶体中经常发生。在第二种机制中，应变是由磁晶的各向异性能驱动的，同时我们发现NiMnGa材料十分具有典型性，它的单晶磁致应变已经可以达到10%。早在2006年，Kainuma和同事们[13]就测定了NiMnCoIn单晶的磁应变。这类合金在马氏体相变温度下具有显著的超弹性行为，而且由于从弱磁的马氏体相转变到铁磁的奥氏体相，因此会比一般的合金更大。他们起初将NiMnCoIn单晶材料在低温马氏体相下预压缩3%，然后施加磁场到7 T，当塞曼能够驱动马氏体相向奥氏体相转变时，产生约2.9%的应变。
1.3马氏体相变
马氏体最早是在钢淬火中被发现，人们把奥氏体转变为马氏体的相变称为马氏体相变[14]。20世纪后，人们在其他纯金属和合金中发现了马氏体转变。
马氏体相变有热效应和体积效应。马氏体相变不能改变其母相的组成，原子级和晶体缺陷，因为马氏体相变不会扩散且其原子不能穿越界面。原子有规律的频繁移动使得马氏体与母相之间的位置关系发生错位。同时研究发现，一般而言，铁基马氏体和非铁基马氏体的位置都具有特定的偏差。
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