Heusler型磁相变合金先进原位表征与功能设计

Heusler型磁相变合金是一类新型智能材料,能够在外加磁场下发生相变,从而产生磁致形状记忆效应、磁超弹性、磁热效应、磁阻效应等多功能特性,作为传感、驱动和固态制冷材料在航空航天、国防、能源等领域具有广阔的应用前景.此类合金的晶体结构、磁结构和多场耦合下的相变对其功能特性具有重要影响.中子散射技术为Heusler型磁相变合金的晶体结构、磁结构和晶格动力学研究提供了独特的条件,原位中子散射和同步辐射高能X射线衍射技术为多场耦合下的磁-结构相变研究提供了理想的工具.本文综述了基于先进中子散射技术和同步辐射技术对Heusler型磁相变合金晶体结构、磁结构和外场耦合下相变的原位研究,以及基于这些先进原位表征的合金高性能设计,以期能为将来高性能磁相变材料的设计和研制提供借鉴.     

磁相变材料的热效应表征

基于磁相变热效应的固态制冷是利用外加场驱动相变产生潜热从而实现制冷的技术.因其环境污染小、理论效率高,被认为是最有希望替代当前主流气体压缩制冷的技术.如何准确高效地表征磁相变材料的热效应是固态制冷研究的关键之一.磁相变材料和固态制冷的研究很大程度上依赖于磁相变热效应的表征技术水平.常规的热电偶、量热仪等热效应测试手段难以满足外场施加时复杂样品环境下磁相变热效应表征和深入研究相变机理的需求.因此新表征技术的引入和新表征设备的研制随着磁相变热效应研究的深入也同步发展.特别是近年来,磁相变热效应的表征已经不囿于单一指标、宏观量的测量,不仅表现出多角度、原位化、微观化的趋势,而且有和高通量、机器学习等新方法相结合的特点.本文将从磁热效应、弹热效应、压热效应等单场热效应和多卡效应等方面综述磁相变热效应表征的研究现状,并探讨磁相变热效应表征的未来发展趋势.     

中子散射技术在热电材料研究中的应用

热电材料是一种可以直接将热能转换为电能的有效能源材料,具有较高稳定性及简单结构等特点,但是低的能效限制了它的应用。因此,如何有效提高热电材料的效率是当下一个研究热点。"声子玻璃-电子晶体"(即高电导率低热导率材料)概念为设计理想的热电材料提供了一个明确的思路:目前,剪裁能带结构和降低晶格热导是改善热电性能的两个主流方向。其中降低晶格热导的方法主要集中在微观上改变声子色散关系,包括掺杂点缺陷和重原子、构造复杂的晶体结构和衍生非简谐性原子键、引入ratteling原子等等。中子散射技术(包括中子衍射、非弹性中子散射、中子漫散射等技术)可以从晶体结构、原子占位、均方位移、结构内应力、声子色散关系与态密度等多方面研究与晶格热导率相关的微观机制,在热电材料的研究中起着重要的作用。     

稀土RET_2X_2材料的磁性与磁热效应研究

利用磁性材料磁热效应实现的磁制冷技术因其具有环保高效等优点,是未来颇具潜力的一种新型制冷方式.磁制冷技术能否替代现有制冷技术的一个关键因素是能否找寻和设计适合在不同温区的高性能磁制冷材料.稀土金属间化合物材料的磁性与磁热效应的研究是当前该领域的研究热点之一.其中,具有中心对称ThCr_2Si_2型晶体结构的三元稀土金属间化合物RET_2X_2(T=3d, 4d或5d过渡金属; X=B, P, Si, Ge等)因其独特的物理与化学特性而引起了研究者的关注.本文简要回顾了REMn_2(Si, Ge)_2, RERu_2(Si, Ge)_2及RECo_2B_2等金属间化合物的晶体结构、磁性及磁热效应等方面的研究进展,对材料的磁相变与磁热效应进行了总结,其中一些材料在低温下表现出优异的磁热性能,在低温磁制冷领域具有较好的应用前景.     

笼型Li6Si5团簇的结构和储氢性能研究

利用密度泛函M06方法,在6-311+G(d, p)基组水平上对Si_5和Li修饰的Si_5团簇的几何结构和电子性质及储氢性能进行理论计算研究.结果表明, Si_5团簇最低能量构型为笼型结构,纯Si_5团簇不能有效吸附氢分子. Li原子的引入显著改善了Si_5团簇的储氢能力.以六个Li原子穴位修饰Si_5团簇为载体,每个Li原子周围可以有效吸附三个氢分子,其氢分子的平均吸附能为2.395 kcal/mol,储氢密度可达16.617 wt%.合适的吸附能和较高储氢密度表明Li修饰Si_5团簇有望成为理想的储氢材料.     

磁制冷材料与技术的研究进展

基于磁相变的磁制冷技术是极具应用潜力的固态制冷技术之一,该技术具有节能高效、绿色环保、稳定可靠等优点,对于实现制冷产业转型升级具有非常重要的意义.磁制冷技术经过数十年的研究积累,在材料和系统方面均取得了一定的成果,发现了许多非常具有实用价值的磁制冷材料,设计出多种高效制冷系统结构.这些研究成果推动着磁制冷技术的实用化进程.本文介绍了磁制冷的热力学过程、磁制冷材料和技术的研究进展.重点介绍了几种具有应用前景的磁热效应材料研究成果,室温磁制冷材料主要包括Gd基、La-Fe-Si、Mn基等系列.其中La-Fe-Si系列是我国具有自主知识产权的材料,是具有重要应用前景的磁制冷工质之一;低温磁制冷材料主要包括稀土二元、三元、四元金属化合物、稀土金属氧化物.描述了室温和低温制冷技术,分析了不同类别系统的结构特性.最后,展望了磁制冷材料和技术未来的发展趋势.     

高压下AlN纳米带的Raman光谱特性

利用原位高压Raman技术,在0~29.83GPa内研究AlN纳米带的高压相变,并计算各振动模式与压力间的关系及压力系数和Grüneisen常数.结果表明:当压力约为17.34GPa时,晶体由六角纤锌矿结构向立方岩盐矿结构转变,在21.28GPa时相变结束;在相变过程中观察到岩盐矿结构AlN晶体的Raman散射信号,确定岩盐矿结构AlN晶体的Raman散射信号来自岩盐矿结构的无序声子散射.     

高压下AlN纳米带的Raman光谱特性

利用原位高压Raman技术, 在0~29.83 GPa内研究AlN纳米带的高压相变, 并计算各振动模式与压力间的关系及压力系数和Grüneisen常数. 结果表明: 当压力约为17.34 GPa时, 晶体由六角纤锌矿结构向立方岩盐矿结构转变, 在21.28 GPa时相变结束; 在相变过程中观察到岩盐矿结构AlN晶体的Raman散射信号, 确定岩盐矿结构AlN晶体的Raman散射信号来自岩盐矿结构的无序声子散射.     

中子散射及其应用

在近30年间，由于中子源和散射装置的改进，中子散射在凝聚态物质中的应用日益广泛，在许多方面是其他（X射线、电子、激光、同步辐射等）散射技术不可比拟的．在简单评述供散射用的中子源和散射实验技术进展之后，重点介绍中子散射在凝聚态物质研究中的应用，它们包括晶体结构和磁结构的测定、表面、界面和薄膜的表征、测定结构涨落、磁涨落的现代相变研究、畸变、无序系统（包括分形和小角散射）和高分子材料、高Tc氧化物超导体的研究。     

有长程序的混合自旋反铁磁材料L2BaNiO5的理论研究

在L2BaNiO5材料晶体磁学结构的实验研究基础上,引入了三维混合自旋反铁磁Heisen-berg模型,利用Schwinger-boson平均场理论对其低温下的物理性质进行了理论研究,所得结果与中子散射实验的结果完全一致。     

氢氧化钠的高压拉曼散射研究

采用金刚石对顶砧装置,利用原位高压拉曼散射技术对氢氧化钠(NaOH)进行了系统的高压实验研究.实验所达到的最高压力约为40 GPa,测量的波数范围为55～4 000 cm~(-1).在压力研究的范围内,NaOH于0. 9 GPa时发生了一次结构相变,为正交晶体结构(α)到NiAs结构(γ)的转变.压力继续升高至最高压力约40 GPa范围内,再无相变发生.利用MS中的CESTEP模块对NaOH常压相和高压相的拉曼光谱进行了理论计算,并对两种结构的振动模式进行了指认.     

利用自旋回波小角中子散射技术分析胶体系统的结构

该文总结了中子表征技术中自旋回波小角中子散射(SESANS)的基本理论分析方法,并讨论了其在分析胶体系统结构中的应用.通过对实空间的密度涨落关联函数进行Abel变换得到SESANS的空间关联函数.进一步分析了球形粒子不同多分散度对SESANS空间自关联函数的影响,SESANS空间结构关联函数则通过引入热力学自洽的闭合关...     

双模随机晶体场对混合自旋1/2和自旋1纳米管上相变的影响

本文利用有效场理论研究了自旋1/2和自旋1混合Blume-Capel模型在具有双模随机晶体场的圆柱形Ising纳米管上的磁化和相变. 通过数值计算,我们得到了随温度和随机晶体场参数变化的相图和磁化强度. 结果表明: (1) 改变晶体场的概率和比例,双模随机晶体场可以描述不同掺杂原子对自旋的作用;(2) 对于一定的概率值、负或正的晶体场和晶体场的比例值都存在临界点;(3) 系统显示多种相变温度,一阶相变和二阶相变.     

Ni—Ti合金相变与亚结构的研究

利用高分辨电子显微技术(HREM),在原子尺度上观察研究了Ni-Ti形状记忆合金的固态相变及其亚结构.在此基础上提出了该合金中马氏体相变的模塑.     

Fe_(70)Cr_(10)P_(13)C_7非晶态合金的中子散射研究

用中子散射和磁化强度测量研究了不呈现因瓦特性的Fe_(70)Cr_(10)P_(13)C_7非晶态合金的自旋波激发。在各种温度围绕原点(0,0,0)观测到自旋波量子激发一直到q=0.16~(-1)。以中子散射确定的自旋波劲度常数为D_s=60±2meV~2,其值接近于用磁化强度测量得到的值Dm=54±2meV。自旋波谱线宽度Γ随波矢q和温度T的变化关系为Γ∞q~4T~2,其关系与海森堡体系中自旋波量子(磁子)相互作用理论所预言的结果相一致。     

全过渡族合金Mn_(50)Ni_(50-x-y)Fe_xTi_y的马氏体相变行为研究

本文制备了一系列Mn_(50)Ni_(50-x-y)Fe_xTi_y全过渡族(all-d-metal) Heusler合金的甩带样品,并系统研究了Ti, Fe元素替代对其马氏体相变的影响.相同Fe含量时, Ti含量的升高能够稳定B2母相,从而降低马氏体相变温度.此外,Ti8合金中,马氏体相变温度随Fe含量的升高而下降,这表明Fe取代Ni原子也可以稳定B2结构的母相;同时,随着Fe含量的增加, Ti8合金中部分5M马氏体转变为L10马氏体并降低了热滞,表明L1_0马氏体与母相之间的相变驱动力小于5M马氏体与母相之间的相变驱动力.而当y8时,马氏体相变温度会随着Fe含量的升高而略微上升,这可能是由于Fe原子的无序占位所致.此外, Fe的加入具有铁磁激活的作用,建立了磁有序,使居里温度上升.电阻率测量显示,马氏体相变过程中伴随有显著的电阻变化,其原因是马氏体的显著晶格畸变对电子的散射作用.进一步发现,退火处理可以消除Fe原子无序占位,从而稳定B2母相,使得不同Ti含量的马氏体相变温度均可由高温下降至室温附近.本研究表明, Ti, Fe替代可以在室温附近获得一系列马氏体相变,为进一步的磁热及弹热研究提供了候选材料.     

Na修饰正四面体Si_4团簇的结构及储氢性能研究

基于碱金属钠原子修饰的正四面体Si_4小团簇,采用明尼苏达密度泛函(M06)方法研究其结构及储氢性能。结果表明:Na原子可以在正四面体Si_4的四个面上对Si_4团簇进行修饰形成Na_4Si_4团簇的稳定结构, Na原子在Si_4表面不发生聚合;氢以分子的形式在Na原子周围发生吸附,每个钠原子均可以有效吸附6个氢分子,其氢分子的平均吸附能为3.926～9.927 kJ·mol~(-1),储氢质量分数达19.15%。因此,碱金属钠原子修饰正四面体Si_4团簇在室温条件下作为储氢材料是可行的。     

SrFe_(2-x)Ru_xAs_2中Ru掺杂引起的自旋密度波压制

利用第一性原理计算研究了超导母体材料SrFe2As2中用Ru原子替代Fe原子引起的自旋密度波压制.尽管Ru和Fe有相同的价电子结构,但是因为Ru的4d能带比Fe的3d能带更扩展,所以这种替代仍然能很明显的改变体系的能带、费米面等电子结构信息.通过第一性原理计算,我们发现在0 x 2的掺杂区域,材料的磁性相图可以分为3个区域:(Ⅰ)条纹状反铁磁态(0.0 x 0.6);(Ⅱ)低自旋态(0.6 x 1.0);(Ⅲ)非磁性态(1.0 x2.0).我们的理论计算结果不仅和实验结果非常完美的符合,同时能很好的解释随着Ru原子替代Fe原子,样品的自旋密度波被压制,超导开始出现.     

Ⅱ类超导体制冷效应的热力学分析

以超导热力学唯象理论为基础，讨论了Ⅱ类超导体样品当外场从0增加到临界场Hc2(T)过程中的制冷效应。结果表明：样品从Meissner态到低场混合态和从高场混合态到正常态相变为二级相变，无制冷效应，但是样品处在混合态区域时因外场增加有可能产生制冷效应，因而该区域是超导制冷实验研究的重点。     

中国绵阳研究堆CMRR中子散射平台及应用

20 MW中国绵阳研究堆(CMRR)上的中子科学平台,首期建设6台散射谱仪和2台中子成像装置,从2013年以来全部投入使用. CMRR的中子科学平台,可分别从事热、冷中子散衍射实验测试.实测用于中子散射实验的热中子注量率为2.4×10~(14)n cm~(-2)s~(-1),冷中子注量率为10~9n cm~(-2)s~(-1).首期运行的谱仪分别为:高分辨中子衍射仪(HRND)、中子应力分析谱仪(RSND)、高压中子衍射仪(HPND)、小角中子散射谱仪(SANS)、飞行时间极化中子反射谱仪(TPNR)、冷中子三轴谱仪(CTAS)和冷/热中子成像装置(CNR).此外,二期有8台自主建设的谱仪,将在未来2–5年内建成并投入使用.目前CMRR每年运行超200天,其中提供给用户的束流超60%.本文重点介绍了CMRR中子科学平台及其在软物质、磁性膜材料、航空、基础物理等领域的典型应用.