来源：中国科学院宁波材料所
在当今能源材料中，利用固态相变进行能量转换的诸多材料体系都存在磁弹效应不明显、室温以上多铁性稀缺等主要问题，从而导致磁-热-机械三种能量形式相互干预的空间受限，借此提高转换效率的努力进入瓶颈阶段。开发出规避这些本征缺陷的新材料，发展新机理以实现多能量干预，有效提高转换效率和功能稳定性，是攻克此类能量转换难关的最有效途径。目前发现的磁弹强耦合相变材料包括稀土铁基化合物和镍基哈斯勒合金，基本具有多场可控相变的室温多铁性质，但功能的实现和性能的提高以极大牺牲磁场、温度和机械循环相变可逆性为代价，致使这类材料的实际应用受到阻碍。为解决功能和结构一体化难题，宁波材料所稀土磁性功能材料实验室一直致力于通过微观组织调控和先进制备加工技术，以获得支撑磁性和非磁性能的平衡要素点，如：采用高压光学浮区定向凝固方法生长出[001]方向单晶Co50Ni20Ga30合金，在上百次机械循环过程中保持了6 K的应力诱导温变(Scripta Mater., 2017, 127, 1)；利用高温度梯度液态金属冷却定向凝固生长了[001]强织构Ni45Mn36.5In13.5Co5合金，在5%大应变下获得8K温变(Appl. Phys. Lett., 2017, 110, 021906)；在Ni-Mn基Heusler合金中掺入稀土元素Tb或过渡族元素Cu，适当引入韧性第二相，提高了合金的断裂强度，而热效应降低不显著(J Alloys Compd., 2017, 696, 538; Scripta Mater., 2017, 130, 278)，并系统研究了超弹性动力学参数和制冷效率的优化条件(Sci. Reports, 2017, 7, 2084)。
最近，稀土磁性功能材料实验室与德国达姆斯塔特工业大学合作，制备了α-Fe/La-Fe-Si双相磁热材料，可以加工成比表面积大的片材，在后续的吸氢处理中仍能保持初始形状。所获得的双相氢化合物相比于单相合金，室温导热系数由2W/mK提升至6W/mK，并保持良好的磁热性能（1.9 T下绝热温变5.5 K）。更为重要的是，该种双相合金的三点弯曲强度为60 MPa，是聚合物粘接体的两倍，在经历105次磁场循环后仍能保持初始形状。该结果初步达到了高磁热、高导热和高强度的磁工质要求，发表在Acta Mater. (2017, 125, 506) 。
此外，在磁性马氏体相变材料中，实验室研究人员与香港科技大学合作，提出了相变热与循环性质统一的研究策略：从立方到单斜型的可逆相变因其相变前后结构对称性差异大，相变潜热高，超弹区形变大，通过设计晶格和调节微观结构的相容性，在不牺牲其潜热和变形的同时提高此类材料的机械循环特性和功能可逆性，将其推向能量转化材料的应用前沿。通过成分优化获得了绝热温变高达13 K的巨弹热Ni50Mn31.5In16Cu2.5磁性形状记忆合金。原位劳厄X射线衍射实验结合马氏体非线性几何理论计算结果表明，孪晶马氏体二次对称轴的长度在可逆相变形变过程中保持不变，在变形张量作用下，第一型孪晶可以形成无应力界面层的相容三叉晶界，第二型孪晶可以形成无应力层的平行晶界，从而可保证相变界面完全相容的同时而允许无穷多可能的孪晶结构，相变过程中材料会自动协调形成特殊相容微观组织。这样不仅大大降低了原本的相变滞后，对于循环下材料功能性和可逆性都有着更显著的提高。因此，该合金的相变滞后达到3 K的低值，马氏体相变在105次磁场循环前后保持高度稳定。该工作为开发兼具巨热效应和高相变循环稳定性材料提供了理论支撑，结果发表在Acta Mater. (DOI:10.1016/j.actamat.2017.05.020)。
以上研究得到国家自然基金委重点项目(51531008)和面上项目(51371184)的资助。
NiMnIn基哈斯勒合金的马氏体形成、应力诱导热效应和磁场循环下的相变稳定性
