寧波材料所在磁性形狀記憶合金的凝固織構(gòu)與彈熱性能關(guān)聯(lián)機(jī)理研究上取得進(jìn)展

在固態(tài)制冷領(lǐng)域，彈熱制冷技術(shù)具有驅(qū)動(dòng)方式多樣化、絕熱溫變值較大和工作溫區(qū)易拓寬等綜合優(yōu)勢(shì)。變磁NiMn基Heusler形狀記憶合金具備臨界應(yīng)力低、滯后小等性能，并包含磁彈耦合的特性，可通過(guò)以適當(dāng)次序同時(shí)或分步施加應(yīng)力和磁場(chǎng)來(lái)增強(qiáng)彈熱性能。但是這類(lèi)金屬間化合物的本征脆性是制約固態(tài)制冷器件發(fā)展的主要瓶頸。

在以往的研究中，一般通過(guò)元素?fù)诫s、微觀結(jié)構(gòu)優(yōu)化和織構(gòu)調(diào)控來(lái)解決合金的脆性問(wèn)題。近年來(lái)，我國(guó)研究者發(fā)現(xiàn)的一種新型的全過(guò)渡族Heusler磁性合金NiMnTi，除了擁有傳統(tǒng)Heusler形狀記憶合金一樣的優(yōu)點(diǎn)外，還具有良好的力學(xué)性能，其韌性和抗壓強(qiáng)度是傳統(tǒng)Ni-Mn基合金的數(shù)倍。在早期研究中，中國(guó)科學(xué)院磁性材料與器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室報(bào)道了Ni(Co)MnTi合金中具有大的彈熱可逆絕熱溫變（Applied Physics Letters 2019, 114, 101903），但是臨界應(yīng)力和滯后較大的問(wèn)題還有待解決。

近期，實(shí)驗(yàn)室魏志陽(yáng)、沈毅等人通過(guò)定向凝固的方法制備了具有〈001〉擇優(yōu)取向的Ni35.5Co14.5Mn35Ti15全過(guò)渡族Heusler合金，并研究了其凝固織構(gòu)與彈熱性能的關(guān)聯(lián)機(jī)制。通過(guò)電子背散射衍射發(fā)現(xiàn)該合金具有從奧氏體〈001〉取向到5層調(diào)制馬氏體〈105〉取向的晶體學(xué)遺傳關(guān)系。利用透射電子顯微鏡觀察到多重調(diào)制的馬氏體，源于該合金弱的d-d共價(jià)雜化。此外，還引入原位高分辨數(shù)字圖像關(guān)聯(lián)技術(shù)（DIC）以監(jiān)測(cè)應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變?nèi)^(guò)程中的二維應(yīng)變場(chǎng)，發(fā)現(xiàn)該取向合金在超彈性變形過(guò)程中相鄰晶粒的變形具有良好的一致性與協(xié)調(diào)性。這就從晶體結(jié)構(gòu)與組織結(jié)構(gòu)兩方面解釋了該合金臨界應(yīng)力低和應(yīng)力滯后小的根源。紅外熱成像技術(shù)與DIC技術(shù)相結(jié)合發(fā)現(xiàn)，絕熱壓縮循環(huán)過(guò)程中樣品內(nèi)部相變不同步加劇所產(chǎn)生的局部應(yīng)變不均勻會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力應(yīng)變曲線變陡峭、暫時(shí)殘余應(yīng)變和滯后增大等現(xiàn)象的產(chǎn)生。

該合金在低的臨界應(yīng)力38MPa和小的滯后54MPa下就實(shí)現(xiàn)了11.5K的絕熱溫變。其重要的彈熱效應(yīng)衡量指標(biāo)——單位臨界應(yīng)力下的絕熱溫變值達(dá)到了0.31K/MPa，超過(guò)了以往報(bào)道的典型一級(jí)相變彈熱材料。本工作對(duì)深入理解全過(guò)渡族Heusler變磁形狀記憶合金的馬氏體轉(zhuǎn)變行為和促進(jìn)高性能彈熱材料的設(shè)計(jì)提供了重要指導(dǎo)意義。研究結(jié)果發(fā)表在Acta Materialia（2020, 188, 677-685）上，得到了中科院國(guó)際合作項(xiàng)目（174433KYSB20180040）、國(guó)家自然科學(xué)基金（51801225、51771218、51531008）的支持。

圖（a）〈001〉擇優(yōu)取向的Ni35.5Co14.5Mn35Ti15合金的高分辨TEM圖像；（b）〈001〉取向Ni(Co)MnTi樣品的等溫應(yīng)力應(yīng)變曲線，插圖為樣品壓縮方向的反極圖；（c）最大應(yīng)變加載時(shí)的紅外照片和DIC應(yīng)變?cè)茍D；（d）室溫附近典型一級(jí)相變彈熱材料的比絕熱溫變（|△Tad/σcr|和|△Tad/εtr|）對(duì)比圖