新型室温磁制冷材料Ni-Mn-Sn马氏体相变及磁热效应的研究

摘要

探索新型室温磁制冷材料是当代科学研究的热点课题之一。现已发现的室温巨磁热效应材料是具有高磁化强度的一级相变材料。但是一级相变的过程中存在着热滞的现象，并且所需要的单质存在着价格昂贵、有毒等缺点，在此基础上，本论文选择了价格合理、无毒和对环境没有污染、制备工艺简单的Ni，Mn，Sn，单质作为原料制备新的哈斯勒合金，同时哈斯勒合金在相变的过程中存在着丰富奇特的物理现象，所以本文以哈斯勒合金作为研究对象，对合金的结构相变的热力学问题、反磁热效应以及磁热效应进行了深入的研究和探讨。并用一些替代元素来替代其中的某一元素，使其各种性能有所改变，特别是居里温度、磁化强度和磁熵变。
　　 本文中采用真空电弧熔炼法和高温退火法制备了四元哈斯勒合金Ni50-xCuxMn36Sn14(x=0,2，4，6)、和Ni50Mn37-xCuxSn13(X=0,3，5，7)的化合物。用X-射线衍射和磁性测量研究了合金的结构相变和磁热效应。对于Ni50-xCuxMn36Sn14(x=0,2，4，6)这系列合金，X-射线衍射结果表明，用部分Cu元素替代Ni，没有改变三元哈斯勒合金Ni-Mn-Sn原有的晶体结构，只是晶格常数有减小的趋势，晶胞的体积没有发生太大的变化。M-T曲线分析结果表明，该系合金的结构相变是一级相变，居里温度相变是二级相变。该系列哈斯勒合金样品在奥氏体相的铁磁交换作用增强，导致居里温度升高，而结构相变温度降低；并且随着Cu含量的增加，该系列合金在低温下的结构相变消失。此外，通过麦克斯韦关系计算了该系列合金的磁熵变△SM，在磁场改变为0-1.5T的情况下，获得了Ni46Cu4Mn36Sn14样品在330K附近的最大磁熵变△SM约为2.0J/kgK。对于Ni50Mn37-xCuxSn13(x=0,3，5，7)系列化合物，通过结构的测量，可得出当Cu的含量不大于3时，X射线的衍射峰开始有劈裂现象，但不是所有的都劈裂，说明在室温下该系列合金的马氏体相和奥氏体相是共存的。但Cu含量大于3时，室温下就不在存在马氏体。通过结构测量还可以知道用Cu替代Mn以后晶格常数有减小的趋势，晶胞体积也是减小的；通过对样品的M-T曲线的分析发现，随着Cu含量的增加，结构相变温度有所降低，当Cu的含量变化不大时，居里温度几乎没有变化，当Cu的含量变化很大时居里温度是降低的；通过麦克斯韦关系和所测得的M-B曲线，得出了该系列合金在0-1.5T变化的外磁场下的磁熵变，从图中可以清楚的发现当Cu的含量为5时，不但在居里温度附近的磁熵变最大，最大值为1.2J/kgK，而且得出来在结构相变温度附近的正磁熵变也是最大的，最大值约为2.5J/kgK。