Gd掺杂对Ni-Mn-In磁性形状记忆合金电子结构、磁性与马氏体相变影响:第一性原理计算和实验

采用实验研究与第一性原理计算相结合的方法,研究了Gd掺杂对Ni-Mn-In合金的影响。第一性原理计算结果发现,在Ni_(8)Mn_(6)In_(2)中,Gd掺杂倾向于占据合金中的Ni和In的亚晶格。Gd取代Ni或In后均可提高马氏体温度,同时降低居里温度。特别是Gd取代In时,相变温度的提升更为显著。电子态密度分析表明:Gd会降低奥氏体稳定性,提高马氏体稳定性,是其相变温度升高的主要原因。采用真空电弧熔炼炉成功制备了Ni_(50-x)Mn_(35)In_(15)Gd_(x)(x=0,1,2)和Ni_(50)Mn_(35)In_(15-x)Gd_(x)(x=0,1,2)多晶合金,通过DSC实验数据分析,Gd的掺杂提升了合金的相变温度,其中Ni_(50)Mn_(35)In_(13)Gd_(2)的马氏体转变开始温度达到160℃,可以满足高温(≈97℃)的工作条件,在单个Gd原子的掺杂下未改变合金母相和马氏体相的磁状态,对磁化强度差的影响较小,阐明了Gd掺杂对合金的磁结构影响机理。

Ni-Mn基磁性形状记忆合金弹热制冷效应的研究现状

弹热制冷不仅具有大而可逆的温度变化,而且其驱动方式更为简单,同时兼具环保、高效、节能的特点,平衡了成本、制冷量、效率以及可行性,有望成为替代传统蒸汽压缩冷却技术的候选之一。本文综述了Ni-Mn基磁性形状记忆合金弹性热效应的研究进展,从掺杂合金元素、热处理方法以及制备工艺等多个方面,总结了近年来对Ni-Mn基合金弹性热效应进行改进优化的研究成果。然而,目前Ni-Mn基合金弹热制冷材料的研究仍处于探索阶段,实现其实际应用还需进一步深入研究。未来的研究重点应集中在降低驱动能耗、提升疲劳寿命和循环稳定性、提高绝热温变以及优化传热效率等方面。

Ni_(48)Mn_(33)Ga_(18)Tb_1合金的马氏体相变和磁性形状记忆效应

本文研究了 Ni48Mn3 3 Ga1 9合金添加微量的稀土元素 Tb后 ,对合金的马氏体相变、磁致应变性能及抗弯性能的影响 ,发现合金的马氏体相变温度、磁致应变值有所下降 ,而机械抗弯强度有显著提高。

磁性形状记忆材料Ni-Mn-Ga研究现状

Ni -Mn -Ga是一种新发展起来的磁性形状记忆材料 ,除具有较大的可逆恢复应变量和恢复力外 ,又具有很高的响应频率 ,是一种极具工程应用前景的新型功能材料。本文系统概述了Ni-Mn -Ga合金的晶体结构、马氏体相变、应力应变行为及其形状记忆效应机制的研究现状 ,并指出了需深入研究的问题。

铁磁性形状记忆合金Ni_(50)Ga_(27)Fe_(17)Co_6的阻尼性能

采用低频扭摆仪研究了铁磁性形状记忆合金Ni_(50)Ga_(27)Fe_(17)Co_6的阻尼性能与应变振幅、频率及温度的关系。结果表明:当应变振幅小于7.5×10^(-5)时,Ni_(50)Ga_(27)Fe_(17)Co_6合金的阻尼性能主要取决于频率,当应变振幅大于7.5×10^(-5)时,其阻尼性能主要取决于应变振幅;当该合金处于马氏体相和奥氏体相共存时具有高阻尼性能,当应变振幅为5×10^(-5),频率为0.1 Hz时,合金最大阻尼值为0.11。

磁性形状记忆合金的研究现状及发展

磁性形状记忆合金是一种新发展起来的形状记忆材料,合金具有大恢复应变、大输出应力、高响应频率和可精确控制的综合特性,有望成为压电陶瓷和磁致伸缩材料之后的新一代驱动与传感材料。系统阐述了近年来磁性形状记忆合金的研究进展,并着重介绍了目前研究最多的Ni Mn Ga合金的结构、相变、形状记忆效应、制备方法及其在应用方面的一些新的研究成果,并提出了磁性形状记忆合金需要深入研究的问题及其发展方向。

外磁场对Ni-Mn-Ga磁性形状记忆合金相变应变及显微组织的影响

研究了外磁场对Ni52Mn24.6Ga23.4(%,原子分数)单晶马氏体相变及其相变应变的影响,并对磁场增强相变应变的微观机制进行了探讨。研究结果表明无外加磁场时,NiMnGa合金发生马氏体相变时可产生约0.3%的收缩形变,沿单晶[100]方向施加外磁场,其相变应变随磁场的增加而呈近线性增加。当外磁场强度为6.37×105A/m时,应变量达到最大值(3.5%)。磁场作用下冷却形成的马氏体虽然孪晶亚结构不变,但自协作组态消失,并伴随有孪晶板条的增厚。磁场对马氏体相变应变的增强效应来自于磁场作用下的马氏体变体的择优取向。

Ni_(53)Mn_(22)Ga_(25)磁性形状记忆合金的相变内耗

研究了Ni53Mn22Ga25磁性记忆合金在190～390K温度范围的内耗行为。结果表明,当合金发生正、逆马氏体相变时出现明显的内耗峰,并伴随模量变化出现极小值。马氏体相变后继续降温,在215K附近出现新的内耗峰,模量明显增高。合金在居里温度发生顺磁及铁磁正反转变时,内耗及模量均不发生变化。对上述现象进行了分析和讨论。

磁性形状记忆合金研究进展

磁性形状记忆合金是上世纪90年代开始出现的一类新型金属功能材料。这类合金兼具热弹性马氏体相变和磁性转变,其形状记忆效应可以由磁场控制。此外这类合金还具有磁阻、磁热等丰富的物理效应,因而一直是近期研究热点。首先介绍了磁性形状记忆合金的3个基本特征,即马氏体相变与磁性转变、磁场驱动孪晶再取向和磁场诱发相变。然后分别对Ni基、Co基和Fe基磁性形状记忆合金的研究现状进行了评述。最后展望了磁性形状记忆合金的发展趋势。

Hg_2CuTi型Mn_2NiB磁性形状记忆效应的理论预测

运用基于密度泛函理论的第一性原理的投影扩充波函数(PAW)方法,分别计算了Hg_2CuTi型Mn_2 NiB的四方变形、晶体结构、磁性、电子结构、压力响应、温度特性.计算结果显示:在由立方结构至四方结构的变形中,在c/a约为1.33处出现一个能量局域最小值,表明该处存在一个稳定的马氏体相;在奥氏体态和马氏体态下,Mn_2NiB的总磁矩均主要由Mn原子提供,但Mn(A)、Mn(B)原子磁矩呈反平行排列且值不等,因而Mn_2NiB合金均表现为亚铁磁结构,总磁矩分别是1.736μB(奥氏体态)和0.974μB(马氏体态);在奥氏体态和马氏体态下,在费米面附近的总态密度主要由Mn(A)-d、Mn(B)-d的投影态密度决定,但两者在费米面附近交叠都很少,说明Mn(A)、Mn(B)原子之间的d-d直接交换作用均很弱,Mn(A)与Mn(B)之间磁矩的亚铁磁耦合正是由这种弱的d-d直接交换作用来维持.基于以上的计算结果,我们预测Mn_2NiB具有磁性形状记忆效应.

钴元素对镍-镓-铁系铁磁性形状记忆合金相变及阻尼性能的影响

采用低频扭摆仪研究了铁磁性形状记忆合金Ni_(53)Ga_(27)Fe_(20)和Ni_(53)Ga_(27)Fe_(15)Co_5合金的阻尼性能与应变振幅、频率及温度的关系,研究了钴元素对镍-镓-铁形状记忆合金阻尼性能的影响。结果表明:室温下Ni_(53)Ga_(27)Fe_(15)Co_5合金的显微组织为三种形态的马氏体,而Ni_(53)Ga_(27)Fe_(20)合金为单一形态马氏体;前者的马氏体相变与逆相变的起始温度为59.2℃与58.7℃,结束温度为35.4℃与72.2℃;后者的起始温度为69.3℃与93.6℃,结束温度为60.2℃与102.6℃;Ni_(53)Ga_(27)Fe_(20)合金在室温下为滞弹性阻尼;Ni_(53)Ga_(27)Fe_(15)Co_5合金室温下当应变振幅小于5.0×10^(-6)时为滞弹性阻尼,当应变振幅大于5.0×10^(-5)时为静滞后型阻尼;Ni_(53)Ga_(27)Fe_(15)Co_5合金的热弹性马氏体相变温度较Ni_(53)Ga_(27)Fe_(20)合金的降低,在相变温度范围内即具有高阻尼特性,最大阻尼值为0.072。

Ni_(48)Mn_(33)Ga_(19)合金的马氏体相变和磁性形状记忆效应

铁磁性Heusler型合金Ni2 MnGa是近年来开发的新型磁控制功能材料 ,但其马氏体相变温度通常远远低于室温 ,不利于实际应用。本文研究了多晶Ni48Mn3 3 Ga19合金的马氏体相变特征 ,发现该合金的马氏体相变温度已提高到室温以上。在室温下 ,分别测量了不同条件下制备的试样的磁场诱发应变 ,提出了增大材料磁致应变的有效方法。

Ni-Co-Mn-Sn-Gd磁性形状记忆合金微观组织、力学性能和耐腐蚀性能

Ni-Mn-Sn合金被认为是最具潜力的制冷工质、传感器、驱动器材料之一,但由于金属间化合物的本征脆性很大程度阻碍了其实际应用。采用扫描电子显微镜(SEM)、差示扫描量热仪(DSC)、电子万能力学试验机和电化学工作站系统研究了Ni_(45)Co_(5)Mn_(38)Sn_(12-x)Gd_(x)(x=0.3,0.6,1,1.5,原子分数/%,下同)磁性形状记忆合金的微观组织、马氏体相变、力学性能和耐海水腐蚀性。结果发现,稀土元素Gd含量为0.3%时,出现了斑状析出相,同时在斑状析出相周围还发现一种颗粒状析出相,随着Gd掺杂量的不断增加,两种析出相逐渐增多并连接在一起呈网状分布。Gd的掺杂使合金基体价电子浓度升高,进而使得合金相变温度升高。同时,Gd含量增多会提高合金的力学性能,Gd含量为1.5%时,合金的压缩断裂强度可达1258 MPa,压缩断裂应变可达13.7%。此外,Ni-Co-Mn-Sn-Gd合金的耐海水腐蚀性能优于304不锈钢,而且随着Gd含量的增加,合金的耐腐蚀性能也逐渐增强。

Ni45Co5Mn37In13-xGdx磁性形状记忆合金的马氏体相变和力学性能

研究了稀土Gd部分替代In对Ni45Co5Mn37 In13-xGdx(0≤x≤2)磁性形状记忆合金的显微组织、相变和力学性能的影响。结果表明,随着Gd含量的增加,合金的晶粒尺寸逐渐减小,马氏体相变温度明显升高,马氏体的结构从单斜的14M转变为四方非调制的L10结构;在含Gd成分较高的合金中观察到了一些富Gd析出物,在Ni45Co5Mn37 In13-xGdx合金中观察到了一步热弹性马氏体相变。适量的添加Gd元素能显著提高Ni-Co-Mn-In合金的力学性能。

镍-镓-铁系铁磁性形状记忆合金的阻尼性能

在分析相变温度和显微组织的基础上,采用低频扭摆仪研究了镍-镓-铁系铁磁性形状记忆合金的阻尼性能与应变振幅、频率及温度的关系。结果表明:Ni52Ga27Fe21合金的马氏体相变为热弹性马氏体相变,特征温度Ms、Mf、As、Af分别为69.3℃,60.2℃,93.6℃,102.6℃,室温下组织为板条状马氏体;镍-镓-铁系合金室温时的阻尼性能主要依赖于频率,Ni52Ga27Fe21合金的阻尼类型为阻尼共振型,而Ni53Ga27Fe20和Ni50Ga27Fe23合金的为滞弹性阻尼型;Ni52Ga27Fe21合金在马氏体相和奥氏体相共存时具有高阻尼性能,最大阻尼值为0.016。

Ni53Mn21Fe1Ga25铁磁性形状记忆合金的显微组织和相变行为

主要研究了少量掺铁对NiMnGa铁磁性形状记忆合金的相变行为和显微组织的影响.透射电镜结果表明1%(原子分数)Fe元素的加入并不会改变基体NiMnGa合金的显微结构,母相仍为L21有序结构,马氏体为7M马氏体,其亚结构为孪晶.DSC结果表明在马氏体逆相变发生前存在一个预相变,这在NiM1nGa系合金中还是第一次发现.研究表明掺铁NiMnGa合金仍然具有良好的磁性能.

第一性原理研究Mn2RhZ（Z=In, Sn, Sb） Heusler合金的磁性形状记忆效应

运用基于密度泛函理论的第一性原理,对3种 Heusler合金 Mn2RhZ(Z=In,Sn,Sb)的原子 占位、晶体结构、晶格畸变和磁学性质等性能进行了研究.结果表明,Hg2CuTi型结构3种 Heusler合金相 比Cu2MnAl型结构表现得更为稳定;在由立方结构至四方结构的变形中,Mn2RhZ(Z=In,Sn,Sb)分别在 c/a= 1.38,1.29,1.29处出现总能量的最小值,分别对应稳定的马氏体相;Mn2RhZ(Z=In,Sn,Sb)的总磁 矩主要源于 Mn原子磁矩,奥氏体相下 Mn2RhSb合金中 Mn(A)和 Mn(B)原子磁矩呈现反平行耦合,表现 出铁磁性,而在奥氏体、马氏体相下 Mn2RhZ(Z=In,Sn)以及马氏体相下 Mn2RhSb合金表现出亚铁磁结 构,因而 Mn2RhZ(Z=In,Sn,Sb)是潜在的具有磁性形状记忆效应的合金材料.

多孔Ni-Mn-Ga-Co磁性形状记忆合金的制备及磁学特性研究

首先采用球磨法制备了不同粒度的Ni-Mn-Ga-Co合金粉末,然后通过3D打印技术成功制备了泡沫结构的多孔Ni-Mn-Ga-Co磁性形状记忆合金。利用SEM、DSC和XRD等研究了合金的微观组织特征、物相结构、相变特性和相关的磁性行为。结果表明,球磨后经过分筛得到的不同粒径尺寸的合金粉末均为不规则形状。Ni-Mn-Ga-Co合金粉末在室温下为非调制四方马氏体结构,其特征峰十分明显。Ni-Mn-Ga-Co合金的DSC曲线上出现宽峰相变,添加Co元素对马氏体转变温度开始值(Ms)基本没有影响,但其居里温度(Tc)有显著的提高。采用粒径为50~100μm的合金粉末烧结制备的磁性合金,饱和磁化强度最大可达68 Am^2/kg。合金粉末粒径越小,烧结制备的多孔Ni-Mn-Ga-Co磁性形状记忆合金致密度越高。当合金粉末粒径<50μm时,致密度可达90%;当合金粉末粒径为50~100μm时,致密度仅为75%。相较于粒径较小的合金粉末,粒径较大的合金粉末制备的磁性合金磁感生应变能力更高,这是由于泡沫结构能够有效减少内部和外部的约束,从而有利于提高磁场诱导应变。

多晶Ni-Mn-Ga磁性形状记忆合金

美国西北大学和波依斯州立大学的科研人员研制出了一种多晶Ni—Mn-Ga多孔磁性形状记忆合金，这种合金能够在磁场作用下保持一种新的形状而当撤去磁场后便会自行回复原来形状。过去只有昂贵的单晶Ni—Mn—Ga合金才显示磁性形状记忆效应，而现在已能用廉价的多孔多晶态Ni—Mn—Ga合金制得了磁性形状记忆合金，这种形状记忆合金适合用于制作快速致动器件，

Ni-Mn基磁性形状记忆合金第二相的形成及其对相变和性能的影响

Ni-Mn基磁性形状记忆合金具有良好的温度场和磁场诱发的形状记忆效应、超弹性、磁热效应、磁阻效应、弹热效应、交换偏置效应等功能特性。作为一种新型多功能材料,有望应用于驱动器、传感器等多个工程领域。本文详细阐述了包含第二相的Ni-Mn基磁性形状记忆合金的研究现状,梳理和总结了第二相的形成及其对马氏体相变、功能特性和力学性能的影响,提出了一些有待解决的问题,如第二相对包括磁性形状记忆效应在内的磁功能特性的影响,并指出未来应着重于研究第二相形成与演化过程的热力学/动力学因素,对第二相进行合理调控,从而优化合金功能特性。