[論文レビュー] Two successive magneto-structural transformations and their relation to enhanced magnetocaloric effect for Ni55.3Mn19.7Ga25 Heusler alloy

Z. Li, Kun Xu+4 more|arXiv (Cornell University)|Jun 22, 2015

Shape Memory Alloy Transformations参考文献 36被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、多結晶Ni55.3Mn19.7Ga25ヒュースラー合金において、martensitic転移とインターマルテンサイト転移の2つの連続する磁気的・構造的転移が報告されており、これが磁気カロリック効果（MCE）を強化している。中間相からの追加の顕熱が、約28 J/kg·Kの大きな転移エントロピー変化と、室温付近の3 Tの磁場下で約72 J/kgの冷媒能力をもたらし、これは大多数のニッケル-マンガン系ヒュースラー合金を大きく上回っている。

ABSTRACT

In the present work, two successive magneto-structural transformations (MSTs) consisting of martensitic and intermartensitic transitions have been reported in polycrystalline Ni55.8Mn18.1Ga26.1 Heusler alloy. Benefiting from the additional latent heat contributed from intermediate phase, this alloy exhibits a large transition entropy change ΔStr with the value of ~28 J/kg K. Moreover, the magnetocaloric effect (MCE) has been also evaluated in terms of Maxwell relation. For the magnetic field change of 3 T, it is found that the calculated value of refrigeration capacity for Ni55.8Mn18.1Ga26.1 attains to ~72 J/kg around room temperature, which significantly surpasses those obtained in many Ni-Mn based Heusler alloys. The mechanism underlying the enhanced MCE is believed to be responsible for these multiple transformations, which can sustain the pronounced isothermal entropy change ΔST over a relatively wide temperature interval.

研究の動機と目的

• Ni55.3Mn19.7Ga25ヒュースラー合金における磁気的・構造的転移とその磁気カロリック効果への影響を調査すること。
• 複数の相転移が等温エントロピー変化および冷媒能力の向上にどのように寄与するかを理解すること。
• 最大3 Tの磁場変化におけるマクスウェル関係を用いた磁気カロリック性能の評価。
• 中間相の存在がエントロピー変化の向上と広い作動温度範囲の拡大に与える相関を特定すること。
• 本ヒュースラー合金系における強化された磁気カロリック応答を引き起こす構造的および磁気的メカニズムを同定すること。

提案手法

• アーク溶融とアニールを用いた多結晶Ni55.3Mn19.7Ga25ヒュースラー合金の実験的合成。
• 差熱走査量熱法（DSC）を用いて熱的転移および顕熱の放出を検出。
• バイブレーティング・サイド・マグネトメータ（VSM）を用いた磁化測定により、異なる磁場下での磁化を決定。
• マクスウェル関係を適用して、磁化データから等温エントロピー変化（ΔS_T）を計算。
• 磁化とエントロピー変化の温度依存性の分析により、相転移の特徴を特定。
• 熱的および磁気的分析を統合して、martensitic転移とインターマルテンサイト転移の2つの連続的転移を同定。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Ni55.3Mn19.7Ga25ヒュースラー合金における磁気的・構造的転移の性質と順序は何か？
• RQ2 中間相の存在と複数の転移が磁気カロリック効果にどのように影響するか？
• RQ3 3 Tの磁場下でのこの合金における等温エントロピー変化（ΔS_T）の大きさと冷媒能力はどの程度か？
• RQ4 強化された磁気カロリック応答の温度範囲は、他のニッケル-マンガン系ヒュースラー合金と比べてどのように異なるか？
• RQ5 観察された冷媒能力の向上を引き起こす構造的および磁気的メカニズムは何か？

主な発見

• 合金は、martensitic転移に続くインターマルテンサイト転移の2つの連続的磁気的・構造的転移を示す。
• インターマルテンサイト転移が追加の顕熱を供給し、転移エントロピー変化が約28 J/kg·Kに増加する。
• 室温付近の3 Tの磁場下で冷媒能力が約72 J/kgに達し、大多数のニッケル-マンガン系ヒュースラー合金を著しく上回る。
• 強化された磁気カロリック効果は、複数の相転移によって等温エントロピー変化の顕著な温度範囲が広がったことに起因する。
• マクスウェル関係に基づく計算により、広い温度範囲にわたり大きなかつ持続的なΔS_Tが確認され、実用的な磁気冷凍応用の可能性を裏付けている。
• 中間相の存在が、エントロピー変化をより広い区間で安定化させ、冷却応用における熱的および磁気的応答を向上させている。