【摘要】：成分接近化學當量比Ni2MnGa的鐵磁形狀記憶合金是近年來倍受關注的一類新型多功能智能材料。這類材料在磁場作用下能夠產(chǎn)生高達10%的大輸出應變且具有kHz的高響應頻率,有望成為新一代智能驅動與傳感材料。過去二十年間,研究者們對Ni-Mn-Ga鐵磁形狀記憶合金開展了廣泛的研究并取得了豐碩的成果。實驗研究觀測到顯著的形狀記憶效應主要源于調制馬氏體。但是化學當量比Ni2MnGa合金的調制馬氏體和2012年之前人們所研究的非化學當量比Ni-Mn-Ga合金的調制馬氏體均是非穩(wěn)定相,它將隨溫度的降低進一步轉變成穩(wěn)定的非調制馬氏體相。由于Ni-Mn-Ga合金的成分與合金的相穩(wěn)定性和馬氏體轉變溫度密切相關,馬氏體轉變溫度隨著e/a比的增加而升高。因此人們希望通過調整合金成分的方法提高e/a比,并在成分區(qū)間寬泛的Ni-Mn-Ga合金中獲得穩(wěn)定且轉變溫度高于室溫同時磁性能優(yōu)異的調制馬氏體。但是由于調制馬氏體結構長周期的復雜性和實驗中測量原子磁矩所面臨的困難,相關的研究進展十分緩慢。近年,研究學者利用超空間理論在粉末衍射和仿真的應用中精確地解析出了調制馬氏體的晶體結構�；谶@一背景,本文使用Vienna Ab initio Simulation Package (VASP)量子力學計算軟件包,在密度泛函理論(DFT)的框架下第一次嘗試采用第一原理計算的方法,建立了80個原子的超級胞,研究了化學當量比Ni2MnGa合金和非化學當量比Ni-Mn-Ga合金(Ni2+xMn1-xGa (0.05≤ x≤ 0.25)、Ni2+xMnGa1-x (0.05≤ x≤ 0.10)以及Ni2Mn1+xGa1-x (0.05≤ x≤ 0.20)合金)調制馬氏體的結構穩(wěn)定性和磁性能等。在此基礎上,為了便于調制馬氏體與奧氏體和非調制馬氏體之間的比較,我們也研究了奧氏體和非調制馬氏體的結構穩(wěn)定性和磁性能等。主要創(chuàng)新性工作及成果如下：一、計算了化學當量比Ni2MnGa合金五層調制馬氏體和七層調制馬氏體的結構參數(shù)、形成能、總磁矩和各組成原子磁矩,研究了調制馬氏體的相穩(wěn)定性和磁性能特別是各組成原子磁矩沿c軸的分布及其規(guī)律。詳細解析了調制馬氏體的總磁矩沿超級胞c軸的振蕩分布狀態(tài),揭示了總磁矩與Ni原子磁矩之間的關系,闡明了Ni2MnGa合金的總磁矩隨著從奧氏體到調制馬氏體再到非調制馬氏體的變化過程而增加的物理機制。二、研究了非化學當量比Ni2+xMn1-xGa(0.05≤x≤0.25)、Ni2+xMnGa1-x (0.05≤x≤0.10)以及Ni2Mn1+xGa1-x (0.05≤x≤0.20)合金中奧氏體、7M馬氏體和NM馬氏體超結構的富余組成原子間的優(yōu)先占位方式。揭示了上述三種非化學當量比合金中富余組成原子之間的優(yōu)先占位方式傾向于彼此遠離的規(guī)律及其物理本質。三、計算了非化學當量比Ni2+xMn1-xGa (0.05≤x≤0.25)、Ni2+xMnGa1-x (0.05≤x≤0.10)以及Ni2Mn1+xGa1-x (0.05≤x≤0.20)合金中調制馬氏體的結構參數(shù)、形成能、總磁矩以及各組成原子磁矩,研究了調制馬氏體的相穩(wěn)定性和磁性能特別是各組成原子磁矩沿c軸的分布及其規(guī)律。并且系統(tǒng)探討了Ni-Mn-Ga合金中調制馬氏體隨合金成分的演化規(guī)律,同時進行相應的機理解析。四、計算結果表明富Ni系列合金(Ni2+xMn1-xGa,0.05≤x≤0.25和Ni2+xMnGa1-x,0.05≤x≤0.10)有利于得到相對穩(wěn)定的NM馬氏體相,而適量的富Mn系列合金(Ni2Mn1+xGa1-x,0.10≤x≤0.20)有利于得到相對穩(wěn)定的7M馬氏體相。因此可以在成分區(qū)間寬泛的Ni2Mn1+xGa1-x (0.10≤x≤0.20)合金中獲得作為穩(wěn)定相的7M馬氏體,并且高Mn含量合金的馬氏體轉變溫度能夠滿足實際應用的要求。五、揭示了Ni-Mn-Ga合金的成分摻雜引發(fā)摻雜原子及其近鄰原子磁矩擾動現(xiàn)象與Mn原子環(huán)境之間的關系。研究結果表明所分析的原子與其第一近鄰Mn原子間的距離減小(“距離效應”)或者所分析原子周圍最近鄰Mn原子的數(shù)量增加(“數(shù)量效應”)都將使所分析原子的磁矩增大。上述研究探索了不同成分Ni-Mn-Ga合金中調制馬氏體的結構參數(shù),相穩(wěn)定性和磁性能變化,為實際應用奠定理論基礎；揭示了合金磁性能變化的物理本質,為新型磁致形狀記憶合金的成分設計和性能優(yōu)化提供理論支撐。
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【學位授予單位】：東北大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TG146.15

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本文編號：2309111