NiMnGa合金的Co/Cu掺杂相变及磁性研究和多孔结构制备

【摘要】自从Ullakko于1997年发现NiMnGa合金具有0.2%的磁场诱发应变(磁致应变,magnetic-field-inducedstrain)后,近十多年来,NiMnGa铁磁形状记忆合金因为具有可磁场调控的形状记忆效应而在研究和应用领域吸引了广泛的关注。发展到现在,在马氏体相呈现调制结构的单晶NiMnGa合金已经获得了9.5%的磁致应变,这个值已经趋近理论上调制结构的最大应变(10.6%)。然而,单晶NiMnGa合金的生产有着无法避免的缺点：首先,单晶NiMnGa合金的生产过程缓慢、代价昂贵；其次,在生产过程中,高温材料挥发容易导致合金成分偏析,无法得到稳定的调制结构马氏体。制备具有低磁场驱动的大应变非调制结构合金以及通过特殊工艺使多晶块体合金具有单晶体的磁致应变性能是解决上述难题的有效办法。例如,通过元素掺杂,寻找在非调制相具有低孪晶压力的NiMnGa合金,从而克服调制结构合金成分容易偏析的缺点。通过特殊工艺制作NiMnGa合金多孔结构,大量的三维贯通孔洞的引入将减少阻碍应变发生的晶界数目,使得这种结构的多晶合金获得趋近于单晶合金的磁致应变性能。论文进行实验研究的最终目的,是制备在室温具有低孪晶应力的非调制结构NiMnGaCoCu合金,通过多孔化技术,使得多晶合金在应变性能上趋近单晶体,从而获得低磁场作用下NiMnGaCoCu合金的大磁致应变。基于以上目的,论文进行了如下的先期基础性探索研究。研究了掺杂Co/Cu元素的NiMnGa铁磁形状记忆合金的结构和相变,发现单独Co、Cu元素的掺杂将导致相变温度分别朝低温和高温方向移动,Cu元素的掺杂对相变温度移动幅度的影响要大于Co元素的掺杂。少量Co或Cu元素的掺杂(小于3%)能将相变温度的变化幅度控制在100K以内。Co和Cu元素的同时掺杂,不仅能调节相变温度,而且还能调制晶格常数和晶格扭曲度,得到低孪晶应力的NiMnGaCoCu铁磁形状记忆合金。对NiMnGaCoCu系列合金的研究发现,Ni46Mn28-xGa22Co4Cux合金的晶格扭曲度随着x的增加呈现V型的减增,在x=4时,具有小晶格扭曲度(c/a=1.1445)和窄的马氏体相变温度区间(约1K),这个合金在马氏体相变/相变中表现出变化剧烈的约1000ppm的应变。研究了合金马氏体变体状态以及磁场作用下变体状态变化。采用熔体快淬技术制备了接近二维状态的NiMnGaCoCu合金条带。制备的条带具有强的磁形状各向异性,表面磁畴结构形貌与马氏体孪晶浮凸呈现出直接的对应关系。发现快淬条带晶粒生长具有一定的择优取向,退火不能完全消除这种择优取向。快淬条带辊面和内部有不同的晶粒尺寸分布和热处理时不同的生长模式。辊面晶粒,在973K以下晶粒生长缓慢,1173K时突然长大。内部晶粒随温度升高均匀生长。这种不一致的生长模式导致了不一致的微结构和磁结构演变。通过高温退火,获得了便于观测变体状态的、具有大尺寸柱状晶粒的合金条带,研究了条带的相变、微结构演变和磁畴结构演变。测量了不同温度和磁场下马氏体变体的变化,分析了马氏体相变中磁场对马氏体变体取向的“训练”,研究了室温磁场诱导马氏体孪晶界移动和变体再取向。在施加lkOe磁场后,观测到磁场驱动孪晶界移动,实现了马氏体变体的再取向。基于气压法原理,制备了偏铝酸钠和NiMnGa合金的复合原坯。研究了超声清洗复合原坯时的频率和功率对多孔NiMnGa合金质量的影响,发现采用超声法清洗复合原坯获得的多孔结构需要时间较长,容易产生裂痕,而且只能处理小体积的样品。为了克服以上不足,我们发展了多孔合金的气压+水热法制备技术,提出了水热法清洗工艺。通过分析造孔剂偏铝酸钠颗粒经过高温处理后的性质变化,研究了α-Al203的化学特征,确定了苛性碱和高温高压的实验条件,实现了对复合原坯快速、简便、高效的清洗,获得了完整干净的合金多孔结构。研究发现,气压+水热法制备的多孔合金,能保持成品和原料在晶体结构、马氏体相变以及类似磁性的一致。采用水热法,不仅需要的设备简单、需要的化学原料廉价、实验过程低能耗,而且还能处理不同体积多孔合金样品。
【作者】韦俊；
【导师】唐少龙；于涛；
【作者基本信息】南京大学，凝聚态物理，2014，博士
【关键词】NiMnGaCoCu合金；铁磁形状记忆合金；马氏体相变；多孔化工艺；马氏体变体再取向；

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