【摘要】：成分接近化學(xué)當(dāng)量比Ni2MnGa的鐵磁形狀記憶合金是近年來(lái)倍受關(guān)注的一類新型多功能智能材料。這類材料在磁場(chǎng)作用下能夠產(chǎn)生高達(dá)10%的大輸出應(yīng)變且具有kHz的高響應(yīng)頻率,有望成為新一代智能驅(qū)動(dòng)與傳感材料。過(guò)去二十年間,研究者們對(duì)Ni-Mn-Ga鐵磁形狀記憶合金開(kāi)展了廣泛的研究并取得了豐碩的成果。實(shí)驗(yàn)研究觀測(cè)到顯著的形狀記憶效應(yīng)主要源于調(diào)制馬氏體。但是化學(xué)當(dāng)量比Ni2MnGa合金的調(diào)制馬氏體和2012年之前人們所研究的非化學(xué)當(dāng)量比Ni-Mn-Ga合金的調(diào)制馬氏體均是非穩(wěn)定相,它將隨溫度的降低進(jìn)一步轉(zhuǎn)變成穩(wěn)定的非調(diào)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(zhuǎn)變溫度密切相關(guān),馬氏體轉(zhuǎn)變溫度隨著e/a比的增加而升高。因此人們希望通過(guò)調(diào)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(zhuǎn)變溫度高于室溫同時(shí)磁性能優(yōu)異的調(diào)制馬氏體。但是由于調(diào)制馬氏體結(jié)構(gòu)長(zhǎng)周期的復(fù)雜性和實(shí)驗(yàn)中測(cè)量原子磁矩所面臨的困難,相關(guān)的研究進(jìn)展十分緩慢。近年,研究學(xué)者利用超空間理論在粉末衍射和仿真的應(yīng)用中精確地解析出了調(diào)制馬氏體的晶體結(jié)構(gòu)�；谶@一背景,本文使用Vienna Ab initio Simulation Package (VASP)量子力學(xué)計(jì)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(jì)算的方法,建立了80個(gè)原子的超級(jí)胞,研究了化學(xué)當(dāng)量比Ni2MnGa合金和非化學(xué)當(dāng)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(diào)制馬氏體的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和磁性能等。在此基礎(chǔ)上,為了便于調(diào)制馬氏體與奧氏體和非調(diào)制馬氏體之間的比較,我們也研究了奧氏體和非調(diào)制馬氏體的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和磁性能等。主要?jiǎng)?chuàng)新性工作及成果如下：一、計(jì)算了化學(xué)當(dāng)量比Ni2MnGa合金五層調(diào)制馬氏體和七層調(diào)制馬氏體的結(jié)構(gòu)參數(shù)、形成能、總磁矩和各組成原子磁矩,研究了調(diào)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(xì)解析了調(diào)制馬氏體的總磁矩沿超級(jí)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(guān)系,闡明了Ni2MnGa合金的總磁矩隨著從奧氏體到調(diào)制馬氏體再到非調(diào)制馬氏體的變化過(guò)程而增加的物理機(jī)制。二、研究了非化學(xué)當(dāng)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(jié)構(gòu)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(xué)當(dāng)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(yuǎn)離的規(guī)律及其物理本質(zhì)。三、計(jì)算了非化學(xué)當(dāng)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(diào)制馬氏體的結(jié)構(gòu)參數(shù)、形成能、總磁矩以及各組成原子磁矩,研究了調(diào)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(diào)制馬氏體隨合金成分的演化規(guī)律,同時(shí)進(jìn)行相應(yīng)的機(jī)理解析。四、計(jì)算結(jié)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(duì)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(duì)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M(jìn)n含量合金的馬氏體轉(zhuǎn)變溫度能夠滿足實(shí)際應(yīng)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?cái)_動(dòng)現(xiàn)象與Mn原子環(huán)境之間的關(guān)系。研究結(jié)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(yīng)”)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(yīng)”)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(diào)制馬氏體的結(jié)構(gòu)參數(shù),相穩(wěn)定性和磁性能變化,為實(shí)際應(yīng)用奠定理論基礎(chǔ)；揭示了合金磁性能變化的物理本質(zhì),為新型磁致形狀記憶合金的成分設(shè)計(jì)和性能優(yōu)化提供理論支撐。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：東北大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TG146.15

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本文編號(hào)：2309111