[论文解读] 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 4

一句话总结

本研究报道了多晶 Ni55.3Mn19.7Ga25 Heusler 合金中存在两种连续的磁致结构转变——马氏体转变和中间马氏体转变，这些转变显著增强了磁致冷效应（MCE）。中间相带来的额外潜热使转变熵变达到约 28 J/kg·K，在室温附近 3 T 磁场下，制冷容量达到约 72 J/kg，显著高于大多数 Ni-Mn 基 Heusler 合金的数值。

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.

研究动机与目标

• 研究 Ni55.3Mn19.7Ga25 Heusler 合金中的磁致结构转变及其对磁致冷效应的影响。
• 理解多重相变如何促进更高的等温熵变和制冷容量。
• 利用麦克斯韦关系评估磁感应强度变化达 3 T 时的磁致冷性能。
• 将中间相的存在与更高的熵变及更宽的工作温度窗口相关联。
• 识别该 Heusler 合金体系中导致磁致冷响应增强的结构与磁性机制。

提出的方法

• 通过电弧熔炼和退火工艺制备多晶 Ni55.3Mn19.7Ga25 Heusler 合金。
• 采用差示扫描量热法（DSC）检测热转变及潜热释放。
• 利用振动样品磁强计（VSM）进行磁性测量，测定不同磁场下的磁化强度。
• 应用麦克斯韦关系，从磁化数据计算等温熵变（ΔS_T）。
• 分析磁化强度与温度的关系及熵变随温度的变化，以识别相变特征。
• 结合热分析与磁性分析，识别出两种连续转变：马氏体转变与中间马氏体转变。

实验结果

研究问题

• RQ1 Ni55.3Mn19.7Ga25 Heusler 合金中的磁致结构转变的性质与顺序是什么？
• RQ2 中间相的存在及多重转变如何影响磁致冷效应？
• RQ3 该合金在 3 T 磁场下等温熵变（ΔS_T）的大小及制冷容量是多少？
• RQ4 其增强的磁致冷响应温度窗口与其它 Ni-Mn 基 Heusler 合金相比如何？
• RQ5 导致制冷容量显著提升的结构与磁性机制是什么？

主要发现

• 该合金表现出两种连续的磁致结构转变：先发生马氏体转变，随后发生中间马氏体转变。
• 中间马氏体转变贡献了额外的潜热，使转变熵变增加至约 28 J/kg·K。
• 在室温附近 3 T 磁场下，制冷容量达到约 72 J/kg，显著高于大多数 Ni-Mn 基 Heusler 合金。
• 增强的磁致冷效应归因于多重相变导致的显著扩展的等温熵变温度窗口。
• 基于麦克斯韦关系的计算结果表明，ΔS_T 在宽广的温度范围内保持较大且稳定，支持其在实际磁制冷应用中的潜力。
• 中间相的存在使熵变在更宽的温度区间内保持稳定，从而改善了冷却应用中的热学与磁学响应性能。