Ni与Fe掺杂对Co-V-Ga哈斯勒合金相变和磁性的影响

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哈斯勒合金因其丰富的物理特性(例如:半金属性,磁热效应和铁磁形状记忆效应等)备受关注。近几年许多具有马氏体相变的Co基哈斯勒合金被陆续发现,如Co2Cr(Ga,Si)、Co2Cr(Al,Si)、Co-V-Si和Co-V-Ga合金等。2018年以前,尽管人们在一些非正分配比的Co-V-Ga合金中观察到了马氏体相变,但由于居里温度比马氏体相变温度低,Co-V-Ga体系中马氏体相变时伴有较大磁性变化的合金没有被发现。直到2018年,刘昌勤等人通过改变Co-V-Ga合金中V和Ga的比例,降低合金的平均价电子浓度制备了富V的Co50V34Ga16多晶合金,研究结果表明Co50V34Ga16合金出现了变磁性马氏体相变行为。除了调整合金自身成分的比例来控制马氏体相变温度外,其他元素的掺杂也应该会有类似的效果。所以我们研究了一些元素掺杂对Co-V-Ga合金物理性质的影响。具体而言,本文包含了以下几点研究内容:(1)综述了哈斯勒合金的研究进展以及一些常见的物理特性,包括哈斯勒合金的晶体结构、马氏体相变、磁热效应等性质。(2)叙述了与本论文相关的主要实验方法和实验原理,包括样品的制备、样品的晶体结构、马氏体相变和磁性的测量等。(3)我们首先研究了Ni掺杂跨度较大的Co2V1-xNixGa(x=0.1,0.3,0.5,0.7)系列哈斯勒合金的晶体结构及磁性。研究结果表明Ni掺杂量x=0.3和x=0.5的样品具有典型的一级结构相变特征,表明出现了马氏体相变。在此基础上,我们在出现马氏体相变对应的掺杂量附近进行成分变化梯度较小的Ni元素掺杂研究,据此制备了Co50V25-xNixGa25(x=5,6,7,8,9,12.5)系列多晶样品。研究表明,室温下,该系列合金都具有L21结构,而且在Ni掺杂量增加到一定值(x=7)时合金出现了一级结构相变。确定了合金不具有马氏体相变(x=6)和出现马氏体相变(x=7)的临界掺杂量后,我们在该值附近对合金成分进行微调制备了Co50V17Ni7Ga26哈斯勒合金,进一步的实验研究发现,Co50V17Ni7Ga26多晶样品,出现了马氏体相变并伴有较大的磁性变化,并且随着价电子浓度的减小,马氏体相变特征温度与居里温度(TC)被调控在同一温度区间,出现了具有较大磁性变化的磁共结构转变。结合Maxwell关系,计算得到在7 T外加磁场下,温度T=94 K时,Co50V17Ni7Ga26合金的最大磁熵变可达11.5 J/kg·K。(4)我们制备了Fe元素部分取代Ga元素的Co50V25Ga25-xFex(x=11,12,12.5,13,14)合金,并对该系列哈斯勒合金的晶体结构和磁性进行了系统的研究。结果表明未退火的Co50V25Ga12.5Fe12.5合金具有马氏体相变,马氏体相变发生在室温附近,并且相变前后合金从高磁性的铁磁奥氏体态转变到了较低磁性的铁磁马氏体态,合金的磁化强度变化较大。通过计算得到未退火Co50V25Ga12.5Fe12.5合金在T=343 K,3 T外加磁场下有最大ΔSm,约为4 J/kg·K。
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