六角Ni2In型MnCoGe基体系晶格负膨胀和巨压热效应

来源: 中科院物理所

发布日期: 2015-12-24 09:52:22

中国科学院物理研究所的研究团队在六角Ni2In型MnCoGe基体系中发现了晶格负膨胀和巨压热效应,这一发现为新型制冷技术的发展提供了重要基础。

人工制冷技术是现代社会工业文明的重要标志之一,在日常生活、工业、农业、商业、医疗、航空、军事等领域有着广泛应用。目前的气压缩制冷技术消耗大量能源,且对环境产生严重影响。开发既环保又高效节能的新型制冷技术已成为世界范围亟待解决的问题。近年来,基于磁热效应的磁制冷技术得到了长足的发展,相继发现了几类巨磁热效应材料,包括物理所磁学室发现的La(Fe,Si)13基化合物、NiMnGa合金等。

这些新材料的共同特点是磁相变与结构相变交织在一起,因此产生巨磁热效应的同时往往也伴随由结构相变导致的巨弹性热效应/巨压热效应(即外场驱动的多卡效应)。

最近,中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室(筹)磁学国家重点实验室胡凤霞研究员、王晶副研究员及博士研究生武荣荣、赵莹莹等在巨磁热效应材料长期研究积累的基础上,与美国国家标准局(NIST)黄清镇教授、超导国家重点实验室的董晓莉研究员、极端条件重点物理实验室的靳常青研究员,以及广西桂林科技大学的饶光辉教授等合作进一步研究了具有磁-结构耦合材料的压热效应,在室温/近室温巨压热效应材料的研究方面取得了重要进展。

在六角Ni2In-型化合物中首次发现了由于磁-结构耦合相变引起的巨压热效应。研究发现静水压能驱动磁-结构转变温度Tmstr以7.7 K/kbar的速率向低温移动,产生巨压热效应。在3kbar的压力下299K时熵变高达52Jkg-1K-1,最大绝热温变为18.5K,远超过现有绝大多数熵变材料在同等压力或5T磁场驱动下的表现。

与此相关,由于高精密光学和电子学工业对具有特定精确膨胀系数甚至零膨胀复合材料的迫切需求,具有大负热膨胀的材料引起人们的广泛研究兴趣。胡凤霞研究员、王晶副研究员等在巨压热效应研究中发现MnCoGe基化合物在马氏体相变附近具有巨大晶格负热膨胀。他们选取了具有磁-结构相变的MnCoGe基系列样品,利用应力干预的方法,加入极少比例的环氧树脂粘接从而极大地改善了样品的机械性能。

更重要的是,研究发现通过引入的残余应力可使材料声学支声子软化,增加晶格的不稳定性,从而大幅展宽结构相变窗口,且可通过改进制备条件尽量保留样品内禀的巨大晶格负热膨胀,进而实现宽温区内的巨大晶格负热膨胀。

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