稀土掺杂Heusler材料的微观组织和应力驱动相变热效应的研究开题报告

1. 研究目的与意义（文献综述）

固态制冷一般用于小型制冷。传统的制冷方法是蒸汽压制冷，但是其内在缺点十分明显，例如，不便于随仪器安装、制冷效率低下、成本高等。所以，研究出一种小巧、高效节能以及环境友好型的新型制冷技术对于缓解现代社会日益严重的资源匮乏、环境污染问题是十分必要的。目前，弹热制冷就是一种比较热门的固态制冷技术，它是利用应力驱动相变，相变过程伴随着吸热或者放热，从而导致绝热温度的变化，由此用于固态制冷[1]。弹热制冷的响应迅速、效率高、耗能少、并且用于弹热制冷的许多材料是环境友好型的，是固态制冷的众多候选技术中最具节能潜力的技术。

heusler材料是一类高有序度的金属间化合物，最早是由f.heusler在1903年发现。ni-mn-x系的heusler材料同时具有铁磁性和热弹性马氏体相变，它的形状记忆效应不但可以由温度控制，还可以通过磁场和应力来控制[2]。形状记忆效应是指当经历两个转变相之间的记忆过程而能够恢复到初始状态（形状或尺寸）的效应，这是由于发生了马氏体相变，当降低温度到一定的程度时，材料便会发生从对称度较高的奥氏体转变为对称度较低的马氏体这一相变过程，而且记忆此时的形状；而当温度升高到一定的程度时，又将会发生马氏体到奥氏体转变的相变，并且恢复到原始的形状[3-5]。传统的形状记忆材料是由温度场控制的，但是它的响应频率低，而由磁场或者应力控制的形状记忆效应则可以加快响应频率，同时产生应变和绝热温变，这便可以用于绿色节能的固态制冷领域[1]。但是，与磁场驱动的磁热制冷相比，应力驱动的弹热制冷有如下优势：（1）所产生的绝热可逆温变△t更大；（2）工作窗口温度的范围更大；（3）所需的驱动场更小[6-8]。

有研究报道[9]，直径3mm的ni-ti多晶材料在650mpa的拉应力作用下，其温度会升高25k。而cu-zn-al多晶块体试样的压缩试验表明[10]，卸载小于275mpa的压应力可以使得该类材料在210k-340k的温度区间内（温度窗口约为130k）产生6-7k的温度降。然而，已报道的具有较大弹热温变的材料体系大都属于传统的形状记忆材料，例如，前面提到的ni-ti和cu-zn-al材料。ni-mn基马氏体相变heusler材料则是一种具有磁结构耦合的新型形状记忆材料，由于它具有巨大的弹热效应而备受关注。有关研究报道[2]，ni-mn-in-co多晶材料在300k施加和卸载100mpa的压应力可以产生±3.5k的绝热温变，而且单位应力的弹热温变可达35k/gpa，这大于已报道的传统形状记忆材料。由于它较大的可逆温变和巨大的弹热效应，所以ni-mn基材料已经成为小型固态制冷方面备受瞩目的候选材料，但是，它的本征脆性却限制了它的超弹性变形，因此，提高ni-mn基材料的塑性和韧性对于获得大的绝热温变和器件的加工技术具有重大的意义[11-13]。

2. 研究的基本内容与方案

2.1基本内容

材料制备：以ni50mn34in16为母体材料，用稀土tb替代in来获得ni50mn34in16-xtbx（x=0，0.1，0.3，0.5at.%）试样，采用非自耗真空电弧炉在氩气的保护下制备试样；

材料表征：对ni50mn34in16-xtbx试样进行显微组织观察、相变温度测量、

3. 研究计划与安排

第1－3周：查阅相关的文献资料，完成英文翻译。明确研究内容，了解本次研究所需原料、仪器和设备。确定技术方案，并完成开题报告。

第4－6周：按照设计方案，来制备金属间化合物ni50mn34in16-xtbx（x=0，0.1，0.3，0.5at.%）的试样。

第7－10周：采用dsc、xrd、sem、万能电子力学试验机以及squid等测试技术对材料的物相、显微结构、力学性能以及磁性能进行测试。

4. 参考文献（12篇以上）

[1]chauhana,patels,vaish,r,etal.areviewandanalysisoftheelasto-caloriceffectforsolid-staterefrigerationdevices:challengesandopportunities.mrsenergysustainability,2015,2:1-18.

[2]lub,xiaof,yana,etal.elastocaloriceffectinatexturedpolycrystallineni-mn-in-cometamagneticshapememoryalloy.appliedphysicsletters,2014:161905.

[3]廖志钦.ni-mn-in哈斯勒材料的相变及其磁性能研究[d].南京理工大学硕士论文,2013.