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東北大學《Scripta》：磁性形狀記憶合金的馬氏體穩定性及物理性能

2021-08-11 12:01:05 作者：材料科學與工程來源：材料科學與工程分享至：

超磁性形狀記憶合金是執行器和傳感器的潛在候選材料。特別是Ni-（Co）-Mn-In合金具有大約3%的輸出應變和超過100MPa的輸出應力，伴隨著巨大的磁熱效應等。這些優異的綜合性能在磁驅動和磁制冷等實際應用中具有重要意義。根據化學成分的不同，已證明三元合金中的馬氏體相分為兩大類，即調質和非調質（NM），調質馬氏體主要包括斜方四層（4O）、單斜五層（5M）、單斜六層（6M）和單斜七層（7M）結構。磁場誘導的形狀記憶效應僅在調質馬氏體中實現。然而大量研究表明，隨著外部條件的變化，調質馬氏體進一步轉變為NM馬氏體，調質馬氏體的亞穩定性限制了這些合金的應用。因此，許多研究致力于拓寬調質馬氏體溫度范圍。到目前為止，還沒有關于第一性原理計算研究的Ni-Mn-In合金中5M和7M馬氏體相穩定性的報道。

來自東北大學，燕山大學等單位的研究人員通過第一性原理計算和實驗研究了Ni50Mn35In15合金中5M和7M調質馬氏體的相穩定性和相關物理性能，可以根據狀態密度和微分電荷密度分析來確定相的穩定性。相關論文以題為“5M and 7M martensitic stability and associated physical properties in Ni50Mn35In15 alloy: first-principles calculations and experimental verification”發表在Scripta Materialia。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2021.114140

本研究通過定向凝固制備了名義成分為Ni50Mn35In15的多晶樣品。為了使合金成分均勻，樣品在氬氣環境下進行1173K×24h退火（水淬）。為了確定晶體結構，將合金研磨成粉末并密封在真空石英管中進行873K×5h退火。

研究發現具有亞鐵磁性（FIM）的5M和NM馬氏體的能量低于其FM態的馬氏體，其他相正好相反。這表明奧氏體（A）和7M相表現出鐵磁性，而5M和NM馬氏體是亞鐵磁性。通過計算得知形成7M馬氏體所需能量低于5M和NM馬氏體。這意味著5M馬氏體是亞穩態相，而7M馬氏體是熱力學最穩定的相。一般認為調質馬氏體有很大的趨勢最終轉變為NM馬氏體。

圖1 不同相的結構示意圖以及磁性配置

圖2 不同馬氏體狀態下的各項實驗結果

圖3 不同相的磁矩及密度

根據實驗結果和第一性原理計算，可以確定7M馬氏體是Ni50Mn35In15合金中最穩定的相。這也與原位TEM的結果一致。Ni原子不僅與MnMn鍵合，還與MnIn鍵合。與NM馬氏體相比，7M馬氏體的Ni-Mn結合強度有所提高。Jahn-Teller效應和Ni-Mn鍵合能力都有助于形成最穩定的7M馬氏體。

總的來說，本文設計了一系列不同馬氏體相的Ni50Mn35In15合金，通過第一性原理計算和實驗表明該合金經歷了磁結構耦合轉變（即鐵磁奧氏體-亞鐵磁5M馬氏體-鐵磁7M馬氏體），確定了7M馬氏體由于Ni和Mn原子間的強鍵合能力而成為最穩定的相。本文研究成果對未來磁性記憶材料的開發和磁性材料的實際應用有一定指導意義。（文：破風）

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