Ni-Mn-Ga-Ti合金带在接近室温时发生的协同磁结构转变

《Journal of Magnetism and Magnetic Materials》:Synergic magnetostructural transformation near room temperature in Ni-Mn-Ga-Ti ribbons

【字体: 时间:2025年08月07日 来源:Journal of Magnetism and Magnetic Materials 3

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  本研究通过Ti掺杂Ni55Mn20Ga25合金,发现掺杂可降低协同磁结构转变温度至室温附近,并使转变熵变提升至-30.5 J/kgK,经定量计算证实该提升源于振动与磁熵变的协同增加,为开发高性能多热机材料提供了新途径。

  
杨同鑫|苏梦瑶|张江斌|赵德伟|郭静静|卢佩佩|王文晓|甄聪绵|马莉|侯登鲁
河北师范大学物理学院先进薄膜实验室,中国石家庄050024

摘要

基于Ni-Mn-Ga的Heusler合金所展现的独特协同磁结构转变特性使其在多热效应应用中具有巨大潜力。本研究探讨了Ti掺杂对Ni55Mn20-xGa25Tixx = 0.0, 0.5, 1.0, 1.5)合金条带中协同磁结构转变的影响。添加0.5 at.%的Ti使协同转变温度更接近室温,并将转变熵变增强至?30.5 J/kgK。这种增强效应归因于晶格振动熵变和磁熵变的协同增加,这一结论通过定量计算得到证实。这些发现突显了Ti掺杂在开发高性能协同转变材料方面的潜力。

引言

固态热效应近年来受到了广泛关注,因为它在开发高效、低碳制冷技术方面具有巨大潜力[[1], [2], [3]]。热效应描述了一种现象:外部磁场、电场或机械场的施加或移除会诱导材料在固态-固态转变过程中发生绝热温度变化。根据刺激场的类型,热效应可分为磁热效应、电热效应和机械热效应。当同时施加两个或多个外部场时,所产生的热响应被称为多热效应[3]。多热效应为提高相变材料的热性能提供了新的途径,成为当前热效应研究的重点[[4], [5], [6], [7], [8], [9], [10]]。
基于Ni-Mn的Heusler合金因其对多种场的响应以及显著的磁热效应和机械热效应而成为有前景的多热效应材料[[11], [12], [13], [14]]。这类合金通常会从铁磁奥氏体转变为弱磁马氏体,其热效应源于这一转变过程中的潜热。最近,在基于Ni-Mn-Ga的合金中引入了协同磁结构转变(SMT)的概念[[15], [16], [17], [18], [19]]。SMT指的是从顺磁奥氏体到铁磁马氏体的相变,这与传统的转变行为不同。SMT的协同特性主要体现在两个方面:首先,作为顺磁体的奥氏体比铁磁马氏体具有更高的晶格振动熵和磁熵[16,20],因此晶格振动熵变(ΔSvib)和磁熵变(ΔSmag)共同决定了SMT过程中的总熵变;其次,磁场或机械场都可以引发马氏体转变[16],这意味着这些场可以协同作用驱动SMT。这些协同特性使得SMT材料非常适合用于多热效应研究。最近的研究证实了SMT材料出色的多热性能[[17], [18], [19]]。
最早被发现具有SMT特性的材料是Ni富集的NiMnGa和NiMnGaCu合金[21,22],它们的转变温度高于室温。随后,通过向Ni富集的NiMnGa合金中掺入In、Sn和Sb等元素,开发出了新的材料体系,并将转变温度调整至接近甚至低于室温[15,23]。目前,SMT现象主要在上述材料体系中观察到,这表明有必要扩展这类材料的范围。本文探讨了一种在室温附近开发高性能SMT材料的新方法,选用Ni55Mn20Ga25作为母合金,并对其掺入了少量Ti。研究了Ti掺杂对Ni55Mn20-xGa25Tixx = 0.0, 0.5, 1.0, 1.5)合金条带中SMT的影响。Ti掺杂使SMT温度降低至接近室温,并增强了转变熵变。

实验部分

实验

采用电弧熔炼法在氩气氛围中制备了名义组成为Ni55Mn20-xGa25Tixx = 0.0, 0.5, 1.0, 1.5)和Ni50+yMn25-yGa25y = 6.0, 6.5, 7.0, 7.5)的多晶锭。随后将锭材进行感应熔炼,并将其喷射到以15 m/s速度旋转的铜轮上。熔融后的带材在真空石英管中于1173 K下退火1小时,然后快速淬入冰水中。晶体结构通过X射线衍射(XRD, X′Pert Pro)进行分析。

结果与讨论

图1(a)展示了Ni55Mn20-xGa25Tixx = 0.0, 0.5, 1.0, 1.5)合金条带在室温下的XRD图谱。x = 0.0和0.5时的图谱可归类为7M单斜马氏体结构。当x增加到1.0和1.5时,XRD图谱中出现了对应于L21型立方奥氏体结构的衍射峰。这种结构演变表明Ti掺杂降低了马氏体转变温度。表1列出了晶格参数

结论

研究了Ti掺杂对Ni55Mn20-xGa25Tixx = 0.0, 0.5, 1.0, 1.5)合金条带中SMT的影响。添加0.5 at.%的Ti促进了SMT在室温附近的发生,并使ΔSDSC增加。对于Ni55Mn19.5Ga25Ti0.5合金,ΔSDSC达到了?30.5 J/kgK,比基体合金增加了6.5 J/kgK。通过量化ΔSvib和ΔSmag的值发现,ΔSDSC的增加是由于ΔSvib和ΔSmag的协同增加所致。

作者贡献声明

杨同鑫:撰写初稿、进行实验研究、进行正式分析。苏梦瑶:进行实验研究、进行正式分析。张江斌:进行实验研究、进行正式分析。赵德伟:撰写文本、审稿与编辑、负责资金争取、提出研究思路。郭静静:进行实验研究、进行正式分析。卢佩佩:进行实验研究、进行正式分析。王文晓:进行实验研究、进行正式分析。甄聪绵:负责资金争取、进行正式分析。马莉:负责资金争取、进行正式分析。侯登鲁:

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本工作得到了河北省地方科技发展指导基金(项目编号:236Z7606G)、国家自然科学基金(项目编号:51901067、51971087)、河北省自然科学基金(项目编号:E2019205234、A2018205144)、河北省教育厅科研项目(项目编号:BJK2024168)以及河北师范大学自然科学基金(项目编号:L2024J02、L2023B08)的支持。
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