磁性形状记忆合金

二、文献综述1.磁性形状记忆合金磁性形状记忆合金是既受温度控制的热弹性记忆效应，同时也具有受磁场控制的磁性形状记忆效应。磁性形状记忆合金具有很多优良的性能，如：高响应频率、大输出应力，磁致伸缩应变大等1，所以是一种理想的驱动和传感材料。3.Heusler合金及其结构Heusler合金是在研究MSMA中研究最多的一种合金，也是现在备受关注的一类功能材料，具有独特的磁性、半金属性、磁性形状记忆效应，有着广泛的应用前景。Heusler合金是1903年，德国人F.Heusler第一次报道两种金属间化合物的磁性，这两种化合物是Cu2MnAl和Cu2MnSn。随后，英国人P.Webster发表了一篇关于高有序度合金(Heusler合金)的文章10Heusler合金是一种金属间化合物，通常具有L21性结构，化学分子式为X2YZ，Z则是周期表右边B类IV族，及其两边的III族和V族的元素。X、Y可以是元素周期表中钪、钛、矾、铬、锰、铁、钴、镍、铜等3d元素以及排列在它们所在列中下面的扩展的过渡族元素，共有约30个。Heusler合金可以看成由四个面心立方结构的亚晶格沿对角线四分之一相互交叉而成。X和Y原子占据（A，C）以及B位，Z原子占据D位。其中ABCD的坐标分别为A(0,0,0),B(1/4,1/41/4,),C(1/2,1/21/2,)和D(3/43/4,3/4,)图1.Heusler合金晶体结构示意图1.2Heusler合金的结构和开发潜力Heusler型合金是一种高度有序的金属间化合物，具有立方L21结构，空间群为Fm3m，一般化学分子式为X2YZ。所谓高度有序的结构，是指多种原子（本工作是三种或四种）按照一定的晶格点阵，各自占据自己的特有位置所形成的高化学有序结构。在冶金学上，Heusler合金属于β相合金，严格的结构特点如图1.1(a)所示。如果忽略原子种类的差别可以看到这一结构是体心立方排列。计入原子种类后，我们看到X原子占据体心结构的顶角位置。另外两种原子分别交叉占据相邻八个体心单元的体心位置，各自形成四面体结构，这就是传统Heusler合金的L21结构。广义而言，Heusler合金可以看成由四个面心立方结构的亚晶格沿对角线四分之一相互交叉而成，如图1.1(b)所示。严格上说，Heusler合金不应称之为合金，而应为金属间化合物。但由于历史原因，习惯上我们仍然不严格地称之为合金（本论文“合金”一词都按照习惯定义）。图1.1(c)和图1.1(d)分别给出了严格定义的合金固溶体和从固溶体到金属间化合物的一种过渡结构—有序度相对较高些的B2结构。从图中可见，如果X、Y、Z这些金属原子在四个亚晶格之间任意占位（图1.1(c)），则形成属于严格定义的合金固溶体。而当其中X原子占据了自己特有的晶位，而其它两种原子仍然混乱占位时，形成的物质即为有序度相对高些的B2结构的金属间化合物。当三种原子都严格占据自己特定的位置后，化学通式为X2YZ的物质形成如图1.1(a)所示的L21结构的化合物，即通常的Heusler合金，其结构有序度又提高一次。严格说来，原子X所占据的晶位也并不是完全一样的，如果引入第四种原子，通式为XMYZ，使之均占据四种特定的晶位，则化合物的结构成为如图1.1(b)所示的严格的四元高有序结构。成为这个通式能够排列出的有序度最高的结构。如果用空位取代上面四种原子通式XMYZ中的M，则结构仍然属于图1.1(b)的结构。但习惯上将通式写成XYZ，历史上称之为半Heusler合金，其实是有序度高于传统L21结构的一种金属间化合物。(a)(b)图1.1(a)高有序Heusler合金结构（L21结构），(b)Heusler结构的一般化模型，(c)完全混乱的金属固溶体，(d)只有Y，Z原子混乱的过渡结构B2相。Fig.1.1.(a)ThegeneralizedHeuslerstructurewithfourinterpenetratingf.c.c.sublatticesA，B，CandD.(b)UnitcellsoftheMn2NiGawithcubicMnNiMnGa(L21)structure，and(c)MnMnNiGastructure.(d)UnitcellsoftheMn2NiGawithtetragonalMnMnNiGastructureinthe(110)direction.Heusler合金的化学通式为X2YZ。适合这一通式中的X、Y是元素周期表中钪、钛、矾、铬、锰、铁、钴、镍、铜、锌以及排列在它们所在列中下面的所有扩展的过渡族元素，共有约30个。Z则是周期表右边B类IV族，及其两边的III族和V族的元素。由于它们的s-p电子的杂化状态，也被称为s-p元素，共有10个。另外，镧系稀土元素也可以作为Y原子。结合上面对Heusler合金结构的分析，简单的计算可以知道，上面列出的各种原子排列组合的结果可以有上万种。前人的研究结果说明，材料的各种物理特性和应用功能与材料中原子排列的有序性密切相关。虽然是同样的化学通式，同样的基本结构框架，但不同原子在高有序下，可以组成各种复杂多变的能带结构，因而繁衍出许多奇特的物理性质和可能的应用功能。也就是说探索出新的高有序合金材料，就有可能发现新的功能材料或者新的物理特性和应用功能。需要强调指出，到目前为止，在符合上述化学通式的各种原子组合中，已经合成的高有序化合物仅占其总数的1%，绝大多数的组合在高有序结构这一块是完全空白的。本论文工作中，新型功能材料探索及其基本物理性质的研究期望，正是寄托在上述大量空白的元素组合可能形成高有序化这样的巨大活动空间。希望开发出更多、更新的，具有各种应用功能的高有序合金。但是，象1.1节中提到的，Heusler(c)(d)合金的发现与研究已经有很长的历史了，常规的材料制备方法和研究思路已经不能够满足材料的进一步探索和开发。那么，是否有可能采取反常规的办法，实现材料中原子的高有序化呢？本文作者所在的研究小组从1999年开始研究Heusler合金，积累了丰富的实践经验，创造性的提出了“强制高有序”这一反常规的制备方法（在2.1中将详细阐述这一方法）来合成过去无法用传统方法合成的，或者开发新的Heusler型合金。本工作将采取传统与反常规制备方法并用的方式，以第一性原理计算（在2.2中，将阐述这一基本理论）为指导，重点探索和开发具有铁磁性形状记忆效应或半金属（half-metal）特性的新型Heusler合金，并详细研究他们的相关特性。另外，我们将合成一批新的Heusler合金，研究它们的磁学性质和其他物理特性，同时注意发现他们的新应用功能