Ферромагнетики с памятью формы - фазовые переходы и функциональные свойства (1097950)
Текст из файла
На правах рукописиХОВАЙЛО Владимир ВасильевичФЕРРОМАГНЕТИКИ С ПАМЯТЬЮ ФОРМЫ:ФАЗОВЫЕ ПЕРЕХОДЫ И ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ СВОЙСТВАСпециальность - 01.04.11физика магнитных явленийАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степенидоктора физико-математических наукМосква-2010Работа выполнена в Институте радиотехники и электроникиим. М.В. Котельникова РАНОфициальные оппоненты:доктор физико-математических наук,профессор Ю.Г. Пастушенковдоктор физико-математических наук,профессор В.Н.
Прудниковдоктор физико-математических наук,профессор Ю.И. ЧумляковВедущая организация:ИМЕТ им. А.А. Байкова РАНЗащита состоится ___ декабря 2010 года в _______ часов на заседанииСпециализированного Совета Д 501.001.70 в Московском государственномуниверситете им М.В. Ломоносова по адресу: 119899, ГСП, Москва, ВоробьевыГоры, МГУ, физический факультет, ЦКП.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультетаМГУ.Автореферат разослан “___” ноября 2010 г.Ученый секретарь Специализированного Совета Д 501.001.70,доктор физико-математических наук,профессорПлотников Г.С.ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность работыТвердые растворы Mn-содержащих сплавов Гейслера Ni2MnZ (Z = Al, Ga, In, Sn,Sb), в которых структурный переход из низкотемпературной мартенситной ввысокотемпературную аустенитную фазу происходит в ферромагнитной матрице(ферромагнетики сплавы с памятью формы), являются в настоящее время объектамиинтенсивных фундаментальных и прикладных исследований.С точки зрения фундаментальной физики ферромагнетики с памятью формыинтересны тем, что в них наблюдается сложная последовательность фазовых переходов,котораявключаетвсебяструктурные,магнитные,магнитоструктурныеимодуляционные переходы.
На момент постановки задачи исследований имеласьразрозненная информация о фазовых диаграммах ферромагнетиков с памятью формы иихмагнитныхсвойствах.Врезультатеисследований,представленныхвдиссертационной работе, была построена фазовая диаграмма системы сплавов Ni2+xMn1xGa,установлены области существования магнитных, структурных и модулированныхфаз и развита теория, хорошо объясняющая особенности фазовой диаграммы данныхсплавов. Некоторые сплавы систем с Z = In, Sn, Sb демонстрируют необычныймагнитоструктурный фазовый переход из высокотемпературной ферромагнитной фазы внизкотемпературную фазу с нулевой спонтанной намагниченностью [1].
Первоначальнопредполагалось,чтоэтообусловленоинверсиейобменноговзаимодействия,посредством которого были объяснены подобные переходы в интерметаллическихсоединениях FeRh [2] и Mn3GaC [3]. Представленные в данной работе результаты,полученные на сплаве системы Ni-Mn-In, доказали, что на самом деле в этих сплавахреализуется уникальный фазовый переход из высокотемпературной ферромагнитной внизкотемпературную парамагнитную фазу.Практический интерес к ферромагнетикам с памятью формы обусловлен преждевсего тем, что в низкотемпературной мартенситной фазе они демонстрируютнеобычайнобольшиемагнитоиндуцируемой(до10%)деформациипереориентации[4],мартенситныхвозникающиевариантов.засчетВеличинымагнитодеформаций в этих материалах, в десятки раз превосходящие магнитострикциюредкоземельных сплавов, таких как Tb1-xDyxFe2 (Terfenol-D), открывают новыеперспективы для создания магнитоуправляемых сенсоров и актюаторов.
Необходимоотметить, что эти впечатляющие результаты были получены на монокристаллическихобразцах, предварительно подвергнутых термомагнитомеханической обработке. Спрактическойточкиполикристаллическихзренияболеепривлекательнымобразцов. Посколькуявляетсяв этом случаеиспользованиемагнитодеформациивозникают за счет смещения температуры мартенситного перехода магнитным полем,решение этой задачи требовало систематического исследования магнитных свойстваустенитной и мартенситной фаз.Потенциальные области практического применения ферромагнетиков с памятьюформы не ограничиваются использованием гигантских магнитодеформаций.
Впоследние годы активно ведутся научные исследования и инженерные разработки,направленные на создание бытовых охлаждающих устройств нового типа - «магнитныххолодильников», в которых в качестве рабочего тела используются твердотельныематериалы с большим («гигантским») магнитокалорическим эффектом (МКЭ).Исследованияпоказали,чтогигантскийМКЭчастонаблюдаетсяпримагнитоструктурных фазовых переходах 1-го рода, где он обусловлен суммированиемэнтропийных вкладов магнитной и решеточной подсистем. Наряду с Gd5(Si1-xGex)4,La(Fe1-xSix)13, MnAs и MnFe(P,As) ферромагнетики с памятью формы демонстрируютгигантский МКЭ и, ввиду их дешевизны и нетоксичности, рассматриваются как один изсамых перспективных материалов для применений в технологии экологичных ивысокоэффективных «магнитных холодильников» [5].
В подавляющем большинствеслучаев исследование МКЭ в Ni2MnZ ограничивается определением изотермическогоизменения магнитной энтропии ΔSm из данных магнитных измерений; прямыеизмерения МКЭ (адиабатического изменения температуры ΔTad) и его особенностей вокрестности магнитных фазовых переходов 1-го рода ферромагнетиков с памятьюформы практически не проводились.Поскольку и магнитодеформации, и гигантский магнитокалорический эффектявляются следствиями сильной взаимосвязи магнитной и упругой подсистем, изучениемагнитных и структурных свойств ферромагнетиков с памятью формы на основесплавовГейслераNi2MnZпредставляетсобойфундаментальной, так и с практической точки зрения.актуальнуюзадачукаксЦель работыЦелью данной работы являлось установление фазовых диаграмм, изучениемагнитных свойств и исследование магнитокалорических и магнитодеформационныхсвойств ферромагнитных сплавов с памятью формы Ni-Mn-Z (Z = Ga, In, Sn).В задачи работы входило:1.
Построение фазовой диаграммы системы сплавов Ni2+xMn1-xGa;2. Изучение влияния старения на температуру и особенности мартенситногопревращения в высокотемпературных сплавах с памятью формы Ni2+xMn1-xGa;3. Исследование модуляционных фазовых переходов в сплавах Ni-Mn-Ga;4. Исследование магнитных свойств и фазовых переходов в тонких пленкахферромагнетиков с памятью формы Ni-Mn-Ga и Co-Ni-Ga;5.
Изучение фазовых переходов и магнитных свойств ферромагнетиков с памятьюформы Ni-Mn-Z (Z = Ga, In, Sn);6. Исследование магнитодеформаций в поликристаллических образцах сплавов NiMn-Ga;7. Комплексное исследование магнитокалорических свойств сплавов Ni-Mn-Z (Z =Ga, Sn) со связанными магнитоструктурными переходами.Научная новизна работы определяется положениями, выносимыми на защиту1. Построена фазовая диаграмма семейства сплавов Ni2+xMn1-xGa.
Установленыобласти существования магнитных, структурных и модулированных фаз. Предложенафизическая модель, на основе которой развита теория, хорошо объясняющаяособенности фазовой диаграммы данных сплавов.2.Обнаруженоявлениечастичнойстабилизациимартенситаввысокотемпературных сплавах с памятью формы, приводящее к аномальномупротеканию прямого и обратного термоупругого мартенситногопревращения.Двухступенчатый характер прямого и обратного мартенситного превращения возникаетиз-за сосуществования метастабильного (где конфигурация точечных дефектов неудовлетворяет кристаллографической симметрии решетки) и стабилизированногостарением (где конфигурация точечных дефектов соответствует кристаллографическойсимметрии решетки) аустенита и мартенсита, соответственно.3.
Установлены композиционные зависимости температуры предмартенситногоперехода Tp на тройной фазовой диаграмме системы сплавов Ni-Mn-Ga. Показано, чтодля всех серий сплавов приведенная намагниченность m = M(Tp)/M(0K)= 0,8±0,05, чтоподтверждает результаты первопринципных расчетов.4. В субмикронных пленках Ni-Mn-Ga температура мартенситного переходазависит от толщины пленки, что вызвано влиянием упругих напряжений, возникающихпри отжиге из-за большого различия в коэффициенте теплового расширения пленки иподложки.5. В сплавах Ni-Mn-Ga обменные взаимодействия в магнитной подсистемемартенситной фазы больше обменных взаимодействий в аустенитной фазе.
В сплавахNi-Mn-Z (Z = Sn, In) наблюдается обратная ситуация, что приводит к необычнойпоследовательности фазовых переходов, при которой парамагнитная мартенситная фазарасположена между двух ферромагнитных фаз – низкотемпературной мартенситной ивысокотемпературной аустенитной.6.Обнаружениисследованэффектгигантскихмагнитодеформацийвполикристаллах ферромагнетиков с памятью формы.7. Прямыми методами исследован магнитокалорический эффект в сплавах Ni-Mn-Z(Z = Ga, Sn, In) со связанными магнитоструктурными переходами.
Обозначеныосновные факторы, влияющие на величину и особенности поведения адиабатическогоизменения температуры ΔTad в ферромагнетиках с памятью формы при магнитныхфазовых переходах 1-го рода.Научная и практическая значимость работыПодробные экспериментальные исследования фазовых переходов в семействеферромагнитных сплавов с памятью формы Ni2+xMn1-xGa позволили установить областисуществования магнитных, структурных и модулированных фаз.
Обнаружено, чтомагнитоструктурный фазовый переход «парамагнитный аустенит ↔ ферромагнитныймартенсит», который представляет интерес как с фундаментальной, так и практическойстороны, реализуется в широкой области концентраций. Предложена физическаямодель, на основе которой развита теория, хорошо объясняющая особенности фазовойдиаграммыданныхсплавов.Полученынеопровержимыеэкспериментальныедоказательства того, что в сплавах Ni-Mn-Z (Z = Sn, In) наблюдается необычнаяпоследовательность фазовых переходов, при которой парамагнитная мартенситная фазарасположена между двух ферромагнитных фаз – низкотемпературной мартенситной ивысокотемпературной аустенитной.Обнаруженноеявлениечастичнойстабилизациимартенситаввысокотемпературных сплавах с памятью формы, приводящее к аномальномупротеканию прямого и обратного термоупругого мартенситного превращения, являетсяважным фактором, который должен учитываться при практическом применении этихматериалов.Изучение гигантских магнитодеформаций в поликристаллах ферромагнетиков спамятью формы, проведенное в настоящей работе, дает важный вклад в развитие новогокласса функциональных материалов – ферромагнитных сплавов с памятью формы.Исследование прямыми методами магнитокалорического эффекта в сплавах Ni-Mn-Z (Z= Ga, Sn, In) со связанными магнитоструктурными переходами позволяют датьадекватную оценку перспективе практического использования этих сплавов в качествеактивного элемента твердотельного термодинамического устройства – «магнитногохолодильника».Актуальность, научная новизна и практическая ценность диссертационной работыподтверждается высоким уровнем цитирования опубликованных статей.
На работыавтора ссылались более 1000 раз, список наиболее цитируемых публикаций приведен втаблице I.Таблица I.ПубликацияЧислоцитирований*A.N. Vasil'ev, A.D. Bozhko, V.V. Khovailo, et al., Phys. Rev. B 59 (1999) 1113276А.Н. Васильев, В.Д. Бучельников, Т. Такаги, В.В.
Характеристики
Тип файла PDF
PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.
Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
