Ni-Mn-Sn铁磁性形状记忆合金磁相变和磁热效应
Ni43Mn46-xCoxSn11合金
随Co含量的增加， As迅速升高 II型 TCA迅速升高
II型马氏体转变
Ni43Mn46-xCoxSn11合金的磁相图
Ni-Mn-Sn铁磁性形状记忆合金磁相变和磁热效应
Ni43Mn46-xCoxSn11合金
Co的加入不仅提高了 转变温度，也提高材 料的磁熵变。
65 36 85 20
15 10 10 11
280 300 370 320
195 275 290 189
210 285 300 200
180 180 160 >As
II型 II型 II型 I型
几种Ni-Mn-Sn合金中的磁熵变的比较
Ni-Mn-Sn铁磁性形状记忆合金磁相变和磁热效应
巨大磁熵变的来源
低 有毒
1T 磁场 8.1
低 无毒
1T 磁场 7-10
低 无毒
1T 磁场 19
低 无毒
1T 磁场 9
低 无毒
热滞,磁滞,峰值温区窄, 是一级相变材料的共同的问 题。
一些稀土基合金中的磁相变和磁卡效应的研究
Dy(CoFe)2
Dy(Co1-xFex)2 （x=0,0.02,0.04,0.06,0.08） MgCu2类型 Laves相结构
马氏体转变特征温度：
马氏体转变开始温度Ms 马氏体转变结束温度Mf 奥氏体转变开始温度As
奥氏体转变结束温度Af
研究背景
形状记忆合金中的物理现象
形状记忆效应
T<Mf
变形 加热
T>Af
超弹性
研究背景
铁磁形状记忆合金的特征温度
铁磁形状记忆合金＝铁磁性＋形状记忆效应 M 马氏体相 M TC TCA 奥氏体相
Ni-Mn-In和Ni-Mn-Sb铁磁形状记忆合金磁热效应
Ni45.5Mn41.5In13合金
T = 250 K
磁场变化: ΔB= 1 T
最大磁熵变:
ΔSM(max) = 8.1 J/kgK
Ni45.5Mn41.5In13合金在0.5 T和1 T下的磁熵变
Ni-Mn-In和Ni-Mn-Sb铁磁形状记忆合金磁热效应
Ni-Mn-Sn铁磁性形状记忆合金磁相变和磁热效应
Ni50-xMn39+xSn11合金
x在4.5和7.3之间，II 型马氏体转变 200－270K ，1T磁 场 7－10J/kg.K
Ni50-xMn39+xSn11(x=5,6,7)合金在1 T下的磁熵变
Ni-Mn-Sn铁磁性形状记忆合金磁相变和磁热效应
磁制冷工 质成本
3d过渡族 基合金
研究背景
如何得到巨大的低场磁热效应
衡量材料磁热效应的物理量：等温磁熵变 ΔSm和绝 热磁温变ΔTad 磁场 大 B M
m 0 B
S dB T
T T C
B ad 0
B,p
M dB T CB,p
进一步的工作正在进行 中
Ni-Mn-Sn铁磁性形状记忆合金磁相变和磁热效应
马氏体转变温度和价电子浓度e/a的关系
价电子浓度： Sn(5s+5p),3d金属 (4s+3d) As随e/a线性增加 斜率不同，e/a不是唯 一因素，应考虑元素 的原子半径，电负性， 原子之间的电磁相互 作用等因素
Ni-Mn-Sn铁磁性形状记忆合金磁相变和磁热效应
ΔQ
T-ΔT
T
S
N
研究背景
磁制冷机
Gd球
超导磁体
3 kg 20%-60%
效率
制冷功率 200 W-600 W
Gd
在1.5T下ΔT = 4.5 K 在5.0T下ΔT = 11 K
研究背景
磁制冷材料
磁制冷机由主要三个部分组成：磁场源，磁制冷工质， 蓄热器。
磁场源成本 NdFeB永磁体 (<2T) 磁制冷工质的 低场的磁热效 应
随着Fe含量的增加 å逐步变大
Dy(Co1-xFex)2 的XRD
一些稀土基合金中的磁相变和磁卡效应的研究
Dy(CoFe)2
Dy(Co1-xFex)2 在0.1T下的热磁曲线
一些稀土基合金中的磁相变和磁卡效应的研究
Dy(CoFe)2
Arrott曲线是用来判断是否存在变磁性行为的常用手段，如果居 里温度附近存在变磁性行为，我们可以在Arrott曲线上观察到一 个负的斜率或者Arrott曲线呈S形
Ni-Mn-In和Ni-Mn-Sb铁磁形状记忆合金磁热效应
Ni50-xCoxMn39Sb11合金
T=288K ΔB= 1 T
最大磁熵变: ΔSM(max) = 9J/kgK
Ni41Co9Mn39Sb11合金在1T下的磁熵变
Ni-Mn-X铁磁形状记忆合金与其它磁制冷材料的比 较
材料
Gd
性能
GdSi2 Ge2 278
Ni43Mn46-xCoxSn11合金
II型马氏体转变
Co Ni43Mn46-xCoxSn11合金的热磁曲线
增 加
As随着Co含量的增加 迅速增加
热滞＝10 K
Co提高TCA
Ni-Mn-Sn铁磁性形状记忆合金磁相变和磁热效应
Ni43Mn46-xCoxSn11合金
Ni43Mn46-xCoxSn11合金的DSC曲线
研究背景
铁磁形状记忆合金在马氏体相变附近的一些物理性质
温度
磁 热 效 应
结构 电阻
变磁性行为
磁场
磁化强度
研究背景
铁磁形状记忆合金在马氏体转变附近的磁熵变
2004年，Sutou等人发现新的铁磁性状 记忆合金Ni-Mn-X （X=In,Sn,Sb)合金， 具有Ⅰ型马氏体转变。 2005年，Nature Materials上报道在 Ni-Mn-Sn材料的Ⅰ型马氏体转变附近发 现巨大的磁熵变（1T 3J/kg.K, 5T 18 J/kg.K) Ⅱ型和Ⅲ型马氏体转变附近具有更大的 磁熵变 Ⅰ型
B,p
M T
大
一级相变材 料 金属材料
小
研究背景
几种著名的高温磁制冷材料
B: 0--2 T
MnAs
30 25
La(Fe0.89Si0.11)13H1.3 Gd5Si2Ge2
Fe49Rh51
- Sm (J/kgK)
20 15 10 5 0 270
MnFeP0.45As0.55
Gd
280 290 300 310 320 330
Ni50Mn50-xSnx合金的相图
Ni-Mn-Sn铁磁性形状记忆合金磁相变和磁热效应
Ni50-xMn39+xSn11合金
X=5,6,7，Ⅱ型马氏体转 变
TCM<AS<TCA 热滞＝10K
Ni50-xMn39+xSn11(x=0,5,6,7)合金中热磁曲线
Ni-Mn-Sn铁磁性形状记忆合金磁相变和磁热效应
Ni50-xCoxMn39Sb11合金
Co 增 加
Co替代Ni降低了马氏 体转变温度。 原因：e/a的减小
Ni50-xCoxMn39Sb11 (x=5,7,9)在0.1T的热磁曲线
Ni-Mn-In和Ni-Mn-Sb铁磁形状记忆合金磁热效应
Ni50-xCoxMn39Sb11合金
Ni41Co9Mn39Sb11合金的磁化曲线
Ni50-xMn39+xSn11合金
Ni50-xMn39+xSn11(x=5,6,7)合金的DSC曲线
Ni-Mn-Sn铁磁性形状记忆合金磁相变和磁热效应
Ni50-xMn39+xSn11合金
IV型 II型 I型 随x增加，As线性减 小
TCA减小 TCM 基本不变 Ni50-xMn39+xSn11合金的磁相图
1.As<TCM<TCA 2. As<TCA<TCM
Ⅰ型 马氏 体转 变
研究背景
马氏体转变的分类
3.TCM<As<TCA
Ⅱ型 马氏 体转 变
研究背景
马氏体转变的分类
4.TCA<As<TCM
Ⅲ型 马氏体转变
研究背景
马氏体转变的分类
5.TCM<TCA<As 6.TCA<TCM<As
Ⅳ型 马氏体转变
研究背景
磁制冷
磁制冷是利用自旋系统磁熵变的制冷方式，是一种以磁性材 料为工质的全新的制冷技术。
优点: 效率高
噪音低
体积小 环保
研究背景
磁卡效应
磁制冷基本原理是 借助磁制冷材料的 磁热效应，即磁制 冷材料绝热磁化时 温度升高，而绝热 退磁时温度降低， 达到制冷目的。
T
S
T&# heat
Ni45.5Mn41.5In13合金的热磁曲线
Ni-Mn-In和Ni-Mn-Sb铁磁形状记忆合金磁热效应
Ni45.5Mn41.5In13合金
Ni45.5Mn41.5In13合金DSC曲线
Ni-Mn-In和Ni-Mn-Sb铁磁形状记忆合金磁热效应
Ni45.5Mn41.5In13合金
Ni45.5Mn41.5In13合金在低场下的等温磁化曲线
Ni-Mn基铁磁形状记忆合金的 磁相变和磁热效应研究
答辩人:
韩志达
导师：顾本喜 教授，都有为 院士
主要内容
研究背景 Ni-Mn-Sn铁磁性形状记忆合金的磁相变和磁热效 应 Ni-Mn-In和Ni-Mn-Sb铁磁形状记忆合金的磁热效 应 一些稀土基合金中的磁相变和磁热效应 总结与展望 发表文章
Ni-Mn-Sn合金影响磁熵变大小的因素
