NiMn基磁相变合金的制备及磁性能调控研究

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基于磁热效应的磁制冷技术是一种高效、节能、环保的固态制冷技术,是替代传统气体压缩制冷技术最有潜力的方法之一。NiMn基铁磁马氏体相变合金在相变点附近呈现出较大的磁热效应。然而由于铁磁马氏体相变特性,该类合金的制冷工作温度区域较窄,而且部分合金的相变温度处于非室温区域,严重阻碍了NiMn基磁相变合金在磁制冷技术方面的应用。为了解决这一问题,我们通过改变制备工艺和施加外部刺激的措施来调控相变温度和拓宽制冷温区。本研究将为提高NiMn基磁相变合金的磁热效应和促进磁制冷技术的发展提供研究基础。本文主要开展了以下研究内容:(1)NiMn基磁相变合金薄带的制备及磁性能调控我们对多种NiMn基Heusler磁相变合金进行磁性能的研究。Ni-Mn-In薄带的晶体结构为纯立方B2奥氏体相,薄带的马氏体相变温度低于室温。通过掺Co元素获得相变温度在室温附近且磁化强度较强的Ni-Co-Mn-In薄带,并进一步探索轮速对样品磁性能的影响。不同轮速下的Ni-Co-Mn-In薄带均为奥氏体相和马氏体相两相共存的晶体结构。随着轮速的增加,薄带晶粒尺寸缩小,厚度减小,饱和磁化强度显著增强,有效制冷工作温区得到扩展。然而,Ni-Mn-In、Ni-Co-Mn-In薄带的柔韧性较差,易碎,其磁性能难以进行应力调控。为了提高NiMn基磁相变合金的力学性能,通过引入Ti元素制备Mn-Ni-Co-Ti薄带,改善了薄带的柔韧性且薄带的相变温度处于室温附近。因此,Mn-Ni-Co-Ti薄带成为室温附近应力调控的最佳候选者之一。(2)NiMn Ti基磁相变合金薄带磁热效应的应变调控在室温附近获得磁热效应的增强和实现有效磁制冷温度区域的扩展,是高效、清洁制冷技术的迫切需要。我们制备了一种由Mn-Ni-Co-Ti薄带、PVA涂层、PET柔性衬底组成的Mn-Ni-Co-Ti/PVA/PET柔性复合结构。通过对衬底施加机械应变,Mn-Ni-Co-Ti薄带表现出可调控的马氏体相变,并在室温附近获得显著增强的磁热效应。随着机械应变的改变,Mn-Ni-Co-Ti/PVA/PET柔性复合结构的马氏体相变温度发生明显变化,磁化强度差?M得到有效的双向控制。不同应力状态下,?SM值分别为12.44 J/kg K(ε=0)、16.34 J/kg K(ε=6.0%)、10.48 J/kg K(ε=-6.0%),RC值分别为157.02 J/kg(ε=0)、197.35 J/kg(ε=6.0%)和109.12 J/kg(ε=-6.0%)。其中,在ε=6.0%的拉伸应变状态下,磁熵变和制冷能力得到提高。因此,可以通过机械应变调控Mn-Ni-Co-Ti/PVA/PET柔性复合结构的磁热效应,拓宽了有效的磁制冷温度区域,有利于提高磁性器件的制冷效率。(3)NiMn基磁相变合金薄膜的制备及磁性能调控为了适应电子系统向高集成化、高性能、轻薄化、智能化、微型化方向的发展,磁性薄膜材料得到广泛的研究与应用。我们制备出在孔隙率、晶粒细化、纯度等方面均得到改善的NiMn基磁相变合金靶材并研究不同制备参数对Ni-Co-Mn-In薄膜磁性能的影响。随着溅射功率的增加,Ni-Co-Mn-In薄膜的晶粒尺寸、粗糙度、磁化强度均逐渐增加,形成不规则的岛状颗粒膜,展现出显著的相变特征。更重要的是,在不同温度下Ni-Co-Mn-In薄膜具有明显的交换偏置效应。
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