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宁波材料所在磁性形状记忆合金的凝固织构与弹热性能关联机理研究上取得进展

文章来源：中科院宁波材料所更新时间：2020-04-01 15:10:40

在固态制冷领域，弹热制冷技术具有驱动方式多样化、绝热温变值较大和工作温区易拓宽等综合优势。变磁NiMn基Heusler形状记忆合金具备临界应力低、滞后小等性能，并包含磁弹耦合的特性，可通过以适当次序同时或分步施加应力和磁场来增强弹热性能。但是这类金属间化合物的本征脆性是制约固态制冷器件发展的主要瓶颈。

在以往的研究中，一般通过元素掺杂、微观结构优化和织构调控来解决合金的脆性问题。近年来，我国研究者发现的一种新型的全过渡族Heusler磁性合金NiMnTi，除了拥有传统Heusler形状记忆合金一样的优点外，还具有良好的力学性能，其韧性和抗压强度是传统Ni-Mn基合金的数倍。在早期研究中，中国科学院磁性材料与器件重点实验室报道了Ni(Co)MnTi合金中具有大的弹热可逆绝热温变（Applied Physics Letters 2019, 114, 101903），但是临界应力和滞后较大的问题还有待解决。

近期，实验室魏志阳、沈毅等人通过定向凝固的方法制备了具有〈001〉择优取向的Ni35.5Co14.5Mn35Ti15全过渡族Heusler合金，并研究了其凝固织构与弹热性能的关联机制。通过电子背散射衍射发现该合金具有从奥氏体〈001〉取向到5层调制马氏体〈105〉取向的晶体学遗传关系。利用透射电子显微镜观察到多重调制的马氏体，源于该合金弱的d-d共价杂化。此外，还引入原位高分辨数字图像关联技术（DIC）以监测应力诱发马氏体相变全过程中的二维应变场，发现该取向合金在超弹性变形过程中相邻晶粒的变形具有良好的一致性与协调性。这就从晶体结构与组织结构两方面解释了该合金临界应力低和应力滞后小的根源。红外热成像技术与DIC技术相结合发现，绝热压缩循环过程中样品内部相变不同步加剧所产生的局部应变不均匀会导致应力应变曲线变陡峭、暂时残余应变和滞后增大等现象的产生。

该合金在低的临界应力38MPa和小的滞后54MPa下就实现了11.5K的绝热温变。其重要的弹热效应衡量指标——单位临界应力下的绝热温变值达到了0.31K/MPa，超过了以往报道的典型一级相变弹热材料。本工作对深入理解全过渡族Heusler变磁形状记忆合金的马氏体转变行为和促进高性能弹热材料的设计提供了重要指导意义。研究结果发表在Acta Materialia（2020, 188, 677-685）上，得到了中科院国际合作项目（174433KYSB20180040）、国家自然科学基金（51801225、51771218、51531008）的支持。

图（a）〈001〉择优取向的Ni35.5Co14.5Mn35Ti15合金的高分辨TEM图像；（b）〈001〉取向Ni(Co)MnTi样品的等温应力应变曲线，插图为样品压缩方向的反极图；（c）最大应变加载时的红外照片和DIC应变云图；（d）室温附近典型一级相变弹热材料的比绝热温变（|△Tad/σcr|和|△Tad/εtr|）对比图

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