Фазовые переходы и гигантские деформации в сплавах Гейслера во внешних полях

Отдельно необходимо сказать о перспективах миниатюризации этой и подобных схем актюаторов и сенсоров на основе сплавов с магнитной памятью формы. Как показано в настоящей работе микроструктура сплава определяет его свойства - магнитные и эффекты памяти. Существует физический предел размера элементарного объема сплава, ниже которого мартенситный переход и термомеханическая память не наблюдаются. В настоящее время он не известен точно, однако, отталкиваясь от известных экспериментальных данных мы можем его оценить в интервале 10 - 100 нм. Соответственно, в этом, пределе, очевидно, лежит граница минимального размера актюатора, на основе пленки из сплава с эффектом памяти формы.

Важные прикладные перспективы у материалов с гигантским магнетокалорическим эффектом. Создание систем твердотельных холодильников и тепловых наосов признано актуальной проблемой. Экологичность и присущая твердотельным конструкциям надежность, открывают перспективы широкого внедрения новых магнитных материалов в в промышленности и в быту, и обещает огромную экономию энергии. Наивысшие (в расчете на единицу массы) значения магнитокалорического эффекта имеют сплавы с магнитоструктурным переходом. Для примера рассмотрим сплав Ni2,19Mn0,81Ga. В термодинамической машине сплав должен выступать в качестве рабочего тела, над которым совершается цикл. При этом он намагничивается и приводится в тепловой контакт с горячим резервуаром, а затем магнитное поле выключают, и приводят элемент в тепловой контакт с холодным резервуаром. В результате, тепло передается от холодного резервуара к горячему резервуару. Оценка показывает, что для работы в цикле необходимо поле не менее 6 Тл плюс примерно 1 Тл на каждый градус разности температур холодного и горячего резервуаров. Таким образом, несмотря на «гигантский» магнитокалорический эффект, на пути создания эффективного технологичного холодильника лежит несколько проблем: снижение минимально необходимого поля, расширение рабочего температурного диапазона и др. В недавней работе [18], возможно, найден путь ее решения. В ней сообщается об открытии сплавов Ni-Co-Mn-In, у которых сдвиг точки структурного перехода в зависимости от поля приближается к 10 К/Тл.

В заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы.

1). На основе обобщения результатов проведенных в работе экспериментов и известных в литературе данных о температурах магнитного и структурного ФП установлена фазовая диаграмма тройного сплава Ni4-y-zMnyGaz вблизи области стехиометрии. Показано, что область составов сплавов, в которых наблюдается слияние магнитного и мартенситного ФП в единый магнитоструктурный переход представляет связанное множество, сильно вытянутое вдоль изоэлектронной линии e/a = 7,6. На тройной фазовой диаграмме определена граница, разделяющая области с модулированной тетрагональной структурой и немодулированной тетрагональной структурой с положительной тетрагональностью, которая близка к границе магнитоструктурного перехода. Совпадение границ переходов указывает на связь природы магнетизма и структурной неустойчивости в этих сплавах. Для объяснения этого факта предложена качественная физическая модель.

2). Экспериментально изучен магнитоструктурный переход в сплавах Гейслера семейства Ni2+xMn1-xGa (0,19<x<0,27). Магнитные измерения в широкой области температур и полей дали возможность рассчитать величину изменения энтропии, при этом установлено, что изменение энтропии может превышать 40 Дж/кгК в магнитном поле 5 Тл. Прямые измерения, проведенные с помощью новой, квазиизотермической методики так же показали, что величина магнитокалорического эффекта близка к рекордной для твердых тел (12 Дж/кгК в магнитном поле 2,6 Тл). Расчеты, проведенные в рамках кинетической теоретической фазовых превращений, качественно верно описывают экспериментальные данные. Теоретически рассмотрен термодинамический цикл Карно с рабочим телом, выполненном из сплава Ni-Mn-Ga с магнитострукутрным переходом. Показано, что цикл Карно требует, по крайней мере, 6 Тл магнитного поля плюс 1 Тл на 1К разности температур между горячим и холодным резервуаром.

3). При изучении влияния внешнего одноосного механического напряжения сжатия и сильного магнитного поля на мартенситный переход в поликристаллических сплавах семейства Ni-Mn-Fe-Ga установлено, что воздействие этих факторов имеет качественно различный характер. Воздействие магнитного поля сдвигает петлю мартенситного перехода в область более высоких температур без существенного искажения формы. Воздействие одноосного постоянного давления размывает переход и расширяет петлю гистерезиса, таким образом, что Mf и As малочувствительны к давлению, а Ms и Af смещаются в область высоких температур линейно с механическим напряжением. Предложена физическая модель, учитывающая неоднородность поликристаллических образцов. Результаты расчета в рамках кинетической теории находятся в хорошем согласии с экспериментом.

4). В результате исследования магнитных, термомеханических и магнитомеханических свойств быстрозакаленных лент сплава Ni-Mn-Ga установлено, что в мартенситном состоянии ленты имеют плоскостную анизотропию с константой K1 = 7.8x104 Дж/м3. Исследование структуры быстрозакаленных сплавов методами рентгеновской дифракции и электронной микроскопии выявило особенности эволюции структуры при отжиге от субмикронного размера зерна до десятков микрон. Визуализация ферромагнитной доменной структуры и мартенситной доменной структуры, подтверждает тот факт, что в мартенситном состоянии образца безразмерная константа магнитной анизотропии больше 1. Характерный размер ферромагнитных доменов быстрозакаленной ленты сплава Ni-Mn-Ga определяется не ее толщиной, а размером мартенситных двойников. Обнаружено, что в целом субмикрокристаллическая структура быстрозакаленного сплава механически более стабильна, чем у исходного крупнокристаллического образца. С использованием новой многоточечной методики изучены зависимости деформация - нагрузка - температура - магнитное поле. Продемонстрирован эффект памяти формы за счет магнитоуправляемого мартенситного перехода в магнитном поле при постоянной температуре. В магнитном поле 6 Тл обратимая псевдопластическая деформация превысила 1,6%.

5). Исследованы магнитные свойства образцов сплавов семейства Ni-Mn-Fe-Ga, в интервале температур от 2 до 300 К, подвергнутых интенсивной пластической деформации (сжатие 7 ГПа с кручением 5 оборотов). Показано, что в обработанном методом интенсивной пластической деформации образце с искусственной наноструктурой с характерным размером зерна порядка 10-30 нм резко изменяются магнитные свойства. В частности, точка Кюри, наблюдавшаяся в исходном образце при 297 К исчезает, а вблизи 10-20 К наблюдаются особенности магнитной восприимчивости типа антиферромагнитного перехода. Рентгеноструктурными и электронномикроскопическими методами в наноструктурированных сплавах наблюдалось наличие структурной фазы с экстремальной тетрагональностью (с/а=1,4).

6). С применением вновь предложенной импульсной ультразвуковой методики, показано, что воздействие интенсивного ультразвука может вызывать прямое и обратное мартенситное частичное превращение в образцах Гейслеровых сплавов семейства Ni-Mn-Fe-Ga при постоянной температуре. При исследовании импульсных режимов воздействия ультразвука на мартенситное превращение было продемонстрировано, что импульсно-периодический ультразвук позволяет получить сужение температурной петли гистерезиса мартенситного перехода более чем на 50%.

7). На основе вновь обнаруженных в работе физических свойств ферромагнитных сплавов с эффектом памяти формы предложены новые технические решения: магнитоуправляемый исполнительный элемент на основе поликристаллического ферромагнитного сплава с эффектом памяти формы; протяженный датчик температуры с пороговым срабатыванием на краях температурного интервала на основе быстрозакаленной ленты сплава; сенсор/актюатор - прибор, сочетающий функции термо- или токоуправляемого исполнительного элемента и датчика для контроля достигаемого перемещения, композитный материал, включающий упругий элемент и элемент с односторонним эффектом памяти формы, обеспечивающий обратимые по магнитному полю и температуре изменений формы, композитный торсионный элемент, обеспечивающий управляемое тепловым или магнитным полем вращательное движение.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих статьях

А1. I.E. Dikshtein, V.V. Koledov, V.G. Shavrov, A.A. Tulaikova, A.A. Cherechukin, V.D. Buchelnikov, V.V. Khovailo, M. Matsumoto, T. Takagi, J. Tani. Phase transitions in intermetallic compaunds Ni-Mn-Ga with shape memory effect // IEEE Trans. Magn. 1999. V. 35. P.3811 - 3813.

А2. А.Д.Божко, А.Н.Васильев, В.В.Ховайло, И.Е.Дикштейн, В.В.Коледов, С.М.Селецкий, А.А.Тулайкова, А.А.Черечукин, В.Г.Шавров, В.Д.Бучельников. Магнитный и структурный фазовые переходы в ферромагнитных сплавах Ni2+XMn1-XGa // ЖЭТФ. 1999. Т. 115, № 5. С. 1740-1755.

А3. И.Е.Дикштейн, Д.И.Ермаков, В.В.Коледов, Л.В.Коледов, Т.Такаги, А.А.Тулайкова, А.А.Черечукин, В.Г.Шавров. Обратимый структурный фазовый переход в сплавах Ni-Mn-Ga в магнитном поле// Письма в ЖЭТФ. 2000. Т. 72, № 2. С. 536-541.

А4. A A.A.Cherechukin, I.E.Dikshtein, D.I.Ermakov, A.V.Glebov, V.V.Koledov, D.A.Krasnoperov, V.G.Shavrov, A.A.Tulaikova, E.P.Krasnoperov, T.Takagi. Shape memory effect due to magnetic field induced thermoelastic martensitic transformation in polycrystalline Ni-Mn-Fe-Ga alloy// Phys. Lett.. A 291, 2001. P. 175-183.

A5. В.Г.Шавров, А.В.Глебов, И.Е.Дикштейн, В.В.Коледов, Д.В.Косолапов, Е.П.Красноперов, Т.Такаги, А.А.Тулайкова, А.А.Черечукин. Наблюдение одностороннего эффекта памяти формы, обусловленного магнитоиндуцированным мартенситным фазовым переходом в сплаве Ni-Mn-Ga // Электронный журнал "Журнал радиоэлектроники". 2001, № 5 ( http://jre.cplire.ru/jre/may01/1/text_r.html ).

А6. V.V. Koledov, E.P. Krasnoperov and V.G. Shavrov. Progress in the investigation of magnetic-field-induced shape memory Heusler alloys // Proc. of the Fifth ISTC Scientific Advisory Committee Seminar “Nanotechnologies in the area of physics, chemistry and biotechnology”.St.Petersburg, Russia. May 27-29, 2002. P. 65-71.

А7. D.A.Filippov, V.V.Khovailo, V.V.Koledov, E.P.Krasnoperov, R.Z.Levitin, V.G.Shavrov, T.Takagi. The magnetic field influence on magnetostructural phase transition in Ni2.19Mn0.81Ga// J. Magn. Magn. Mater. 2003. V. 258-259. P. 507-509.

А8. .В.В.Коледов, В.Г.Шавров. Новые функциональные материалы - ферромагнитные сплавы с памятью формы// Радиотехника. 2003, №12. C. 51-54.

А9. V.Khovailo, T.Abe, V.Koledov, M.Matsumoto, H.Nakamura, R.Note, M.Ohtsuka, V.Shavrov, T,Takagi. Influence of Fe and Co on phase transitions in Ni-Mn-Ga alloys // Materials Transactions, 2003, V. 44, № 12. P. 2509-2512.

А10. О.М.Корпусов, Ю.М.Смирнов, В.В.Коледов, А.Б.Залетов, С.А.Чигиринский, Д.С.Юленков. Мартенситная и магнитная доменная структура ферромагнитных сплавов Гейслера// Вестник Тверского госуниверситета, серия «Физика». 2004, № 4(6). C. 81-87.

А11. A. Aliev, A. Batdalov, S. Bosko, V. Buchelnikov, I. Dikshtein, V. Khovailo, V. Koledov, R. Levitin, V. Shavrov, T. Takagi. Magnetocaloric effect and magnetization in a Ni-Mn-Ga Heusler alloy in the vicinity of magnetostructural transition // J. Magn. Magn. Mater. 2004. V. 272-276. P. 2040-2042.

А12. V.Buchelnikov, I.Dikshtein, R.Grechishkin, V.Khovailo, T.Khudaverdyan, V.Koledov, Y.Kuzavko, I.Nazarkin, V.Shavrov, T.Takagi// JMMM. 2004. V. 272-276. V. 2025-2026.

А13. R.M. Grechishkin, V.V. Koledov, V.G. Shavrov,., I.E. Dikshtein, V.V. Khovailo, T. Takagi, V.D. Buchelnikov and S.V. Taskaev. Martensitic and magnetic domain structures in polycrystalline shape memory alloys Ni2+xMn1-xGa // Intern. Journ. Appl. Electromagnetics and Mechanics. 2004. V.19. P. 175-178.

А14. А.Н.Васильев, А.В.Глебов, И.Е.Дикштейн, В.В.Коледов, Д.В.Косолапов, Е.П.Красноперов, Т.Такаги, А.А.Тулайкова, А.А.Черечукин, В.Г.Шавров. Способ управления формой исполнительно элемента// Патент РФ № 2221076. Приоритет от 16.11.2001. МКИ7 С22F1/11. Опубл. 10.01.2004. Бюл. №1. Патентообладатель ИРЭ РАН.

А15. O. M. Korpusov, R. M. Grechishkin, V. V. Koledov, V. V. Khovailo, T. Takagi, V. G. Shavrov. Simultaneous magnetooptic observation and thermomagnetic analysis of phase transitions in shape-memory Ni-Mn-Ga alloys // J. Magn. Magn. Mater. 2004. V. 272-276. P. 2035-2037.

А16. И.Д.Борисенко Р.М.Гречишкин, В.В.Коледов, Е.П.Красноперов, Я.Ли, В.Г.Шавров, В.В.Ховайло, Ч.Цзян. Структура, магнитные и термомаханические свойства сплавов Гейслера Ni-Mn-Fe-Ga // Известия РАН, сер. физич., 2005.Т. 69, № 4, С. 569-571.

А17. Р.Н.Имашев, Х.Я.Мулюков, В.В.Коледов, В.Г.Шавров. Влияние структуры сплава Ni2.14Mn0.81Fe0.05Ga на температурную зависимость намагниченности// ДАН. 2005. Т. 400, № 3. C. 333-337.

А18. R.N.Imashev, Kh.Ya.Mulyukov, V.V.Koledov, V.G.Shavrov // J. Phys.: Condens. Matter. 2005. V.17. P. 2129-2135.

А19. Р.Н.Имашев, Х.Я.Мулюков, И.З.Шарипов, В.Г.Шавров, В.В.Коледов. Мартенситное превращение и электрические свойства сплава Ni2.14Mn0.81Fe0.05Ga в различных структурных состояниях// ФТТ. 2005. 47, №3. C. 536 - 539.

А20. Ф.Альбертини, С.Бессегини, А.С.Бугаев, Р.М.Гречишкин, В.В.Коледов, Л.Парети, В.Г.Шавров, Д.С.Юленков. Быстрозакаленные ленты ферромагнетиков с памятью формы. Структура, магнитные и термомеханические свойства, перспективы применения в технологии сенсоров и актюаторов// Радиотехника и Электроника. 2005. Т. 50, №6. С. 697-706.

А21. Н.И.Коуров, А.В.Королев, В.Г.Пушин, В.В.Коледов, В.Г.Шавров, В.В.Ховайло. Электрические и магнитные свойства быстрозакаленного сплава Ni2.16Mn0.84Ga с эффектом памяти формы// ФММ. 2005. Т. 99, № 4. С. 38-44.

А22. В.Г.Пушин, Н.И.Коуров, А.В.Королев, В.А.Казанцев, Д.И.Юрченко, В.В.Коледов, М.П.Шавров, В.В.Ховайло. Эффект быстрой закалки на физические свойства сплава Ni54Mn21Ga25// ФММ. 2005. Т. 99, 4. С. 64-75.

А23. В.Д.Бучельников, В.В.Коледов, С.В.Таскаев, В.В.Ховайло, В.Г.Шавров. Фазовые переходы и гигантские магнитомеханический и магнитокалорический эффекты в сплавах Гейслера во внешних полях// В сб. Современные проблемы физики фазовых переходов и критических явлений. Институт физики Даг. НЦ РАН. Махачкала, 2005.С. 38-75.

А24. В.В.Коледов, А.Ф.Попков, В.Г.Шавров. Спиновая аккумуляция и фазовые превращения типа мартенсит/аустенит в магнитной пленке с разнородными металлическим электродами// Укр. Фiз. Журн., Т.50, 2005. С. А87-А91.

А25. V.V.Runov, Yu.P.Chernenko, M.K.Runova, V.G.Gavrilyuk, N.I.Glavatska, A.G.Gokasov, V.V.Koledov, V.G.Shavrov, V.V.Khovailo// JETP. V.102, 2006. P. 102.

А26. V.D.Buchelnikov, S.A.Taskaev, A.M.Aliev, A.B.Batdalov, A.M.Gamzatov, A.V.Korolev, N.I.Kourov, V.G.Pushin, V.V.Koledov, V.V.Khovailo, V.G.Shavrov, R.M.Grechishkin. Magnetocaloric effect in Ni2.19Mn0.81Ga Heusler alloy// Int. Journ. Appl. Electromagnetics and Mechanics. V. 23, 2006. P.65-69.

А27. В.Д.Бучельников, А.Н.Васильев, В.В.Коледов, С.В.Таскаев, В.Г.Шавров. Магнитные сплавы с памятью формы: фазовые переходы и функциональные свойства// УФН, Т.176, 2006. С. 900-906.

А.28. V.Khovaylo, V.Koledov, V.Shavrov, M.Ohtsuka, H.Miki, T.Takagi, V.Novosad. Influence of cobalt on phase transition in Ni50Mn37Sn13// Materials Science and Engineering A V.481-482, 2008. P. 322-325.

А.29. Р.М.Гречишкин, В.В.Коледов, А.В.Королев, Н.И.Коуров, Е.П.Красноперов, Г.А.Лебедев, В.Г.Пушин, А.А.Тулайкова, В.В.Ховайло, В.Г.Шавров. Актюатор, система актюаторов и способ его изготовления. Патент РФ №2305874, Приоритет от 27.05.2005. Опубликовано 10.09.2007, Бюл. № 25. Патентообладатель ИРЭ РАН.

Цитируемая литература

1. P.J.Webster, K.R.A.Ziebeck, S.L.Town, M.S.Peak //Phyl. Mag. B. V.49. 295 (1984).

2. K.Ullakko, J.K.Huang, C.Kantner, O'Handley et al. // Appl. Phys. Lett. V. 69, 1966 (1996).

3. ИНТЕРНЕТ публикация: http://www.adaptamat.com .

4. K.M.Kim, Y.V.Kudryavtsev et al.// JMMM. V. 272-276, 1176 (2004).

5. Г.В.Курдюмов// ДАН СССР. Т. 60, 1543 (1948).

6. Материалы с эффектом памяти формы (Справочное издание) Ред. В.А.Лихачев. Санкт-Петербург, 1997.

7. V.D.Buchelnikov, S.I.Bosko// JMMM, 258-259, 497 (2003).

8. V.D.Buchelnikov, S.I.Bosko, T.Takagi// JMMM, 272-276, 2102 (2004).

9. V.G.Pushin, N.I.Kourov, T.E.Kuntsevich, et al.//Physycs of Metals and Metallography. V.94. Suppl. S107 (2002).

10. V.A.Chernenko, V.V.Kokorin, I.N.Vitenko// Smart. Mater. Struct. V.3, 80 (1994).

11. F.Albertini, S.Besseghini, A.Paoluzi, et al.//JMMM V.242, 1421 (2002).

12.R.M.Grechishkin, M.Yu.Goosev, S.E.Ilyashenko//JMMM. V.157-158, 305 (1996).

13. Kh.Ya. Mulyukov, G.F.Korznikova, S.A.Nikitin// J. Appl. Phys. V.79, 8584 (1996).

14. R.Z.Valiev, Ya. Mulyukov, G.F.Korznikova et al.// Phyl. Mag. B. V.75, 803 (1997).

15. V.V.Rubanik. The ultrasound influence on pseudoplasticity in TiNi. European Materials Research Society E-MRS 2005 Fall Meeting. Warsaw, Poland. 5-9 September, 2005. Book of Abstracts. P.66.

16. Г.А.Малыгин.// УФН, 171, 187 (2001).

17. J. Feuchtwanger et al.// J. Appl. Phys. 93, 8528 (2003).

Размещено на Allbest.ru