1、磁性相变材料的研究磁性相变材料的研究研究方向研究方向:新材料探索新材料探索1）磁致伸缩材料：）磁致伸缩材料：TbDyFe，FeGa2）稀土金属间化合物，稀土金属间化合物，TbFe11Ti，Tb2Fe173）磁性形状记忆合金材料）磁性形状记忆合金材料,NiMnGa，NiFeGa4）Ni2In-TiNiSi,磁性相变材料磁性相变材料5）半金属材料）半金属材料6）新型磁性材料探索（磁相变材料）新型磁性材料探索（磁相变材料）磁性（一）磁性（一）磁性起源和磁结构：磁性起源和磁结构：1）电荷运动产生磁性）电荷运动产生磁性2）自旋磁矩和轨道磁矩）自旋磁矩和轨道磁矩3）原子磁矩，磁结构）原子磁矩，磁结构4）顺
2、磁性，铁磁性和反）顺磁性，铁磁性和反铁磁性铁磁性磁性（二）磁性（二）7）技术磁化效应：磁畴，）技术磁化效应：磁畴，磁滞回线，饱和磁化强度，磁滞回线，饱和磁化强度，剩磁和矫顽力剩磁和矫顽力8）软磁和硬磁）软磁和硬磁永磁电机和微波材料永磁电机和微波材料磁畴磁畴从某一物质结构转变成另一物质结构从某一物质结构转变成另一物质结构 u水结冰，蒸汽（固水结冰，蒸汽（固-液液-气）气）u固态相变：析出固态相变：析出u原子占位有序化：原子占位有序化：CuAu合金，合金，Heusler合金合金u晶体结构转变：非原子扩散晶体结构转变：非原子扩散马氏体相变马氏体相变相相 变变马氏体转变：非原子扩散型马氏体转变：非原子
3、扩散型结构对称性的改变结构对称性的改变 Bain模型：模型：晶胞：立方晶胞：立方四方四方马氏体相变马氏体相变形状记忆效应形状记忆效应降低温度降低温度升高温度升高温度母相母相(奥氏体奥氏体)马氏体马氏体马氏体变体重排马氏体变体重排施加外应力施加外应力形状记忆的应用形状记忆的应用传统形状记忆合金：传统形状记忆合金：NiTi形状记忆形状记忆双向形状记忆效应双向形状记忆效应双向形状记忆双向形状记忆超超 弹弹 性性去除外力去除外力母相母相(奥氏体奥氏体)变形马氏体变变形马氏体变施加外力施加外力超弹性超弹性磁性形状记忆合金（磁性形状记忆合金（FMSAFMSA）马氏体相变马氏体相变铁磁性铁磁性FMSAFMS
4、A50100150200250300350400020004000600080001000012000 000918II皮50.5-24.5-25从378K到 78K再 到 近 室 温Chi(a.u.)T(K)磁性形状记忆合金的应用磁性形状记忆合金的应用航海航海 航空航空 航天航天 通讯通讯 导弹和卫星导弹和卫星 自动控制：自动控制：卫星天线、飞机机翼调控系统和超大功率超声卫星天线、飞机机翼调控系统和超大功率超声换能器声纳、导航系统、换能器声纳、导航系统、线性马达、减振系统、燃油喷射、传感器、各线性马达、减振系统、燃油喷射、传感器、各种智能器件（机器人）、微机电系统，心脏起种智能器件（机器人）
5、、微机电系统，心脏起搏器搏器Heusler Heusler 合金合金(X(X2 2YZ)YZ)的结构的结构Heusler 合金合金 X2YZ L21 结构结构Heusler 合金合金1903年确认年确认100多年历史多年历史高有序金属间高有序金属间化合物化合物F.HeuslerHeuslerHeusler型磁性形状记忆合金型磁性形状记忆合金 Ni2MnGa,Al,In,Sn,SbNi2FeGa(柳祝红柳祝红,王文洪）王文洪）CoNiGa,AlMn2NiGa(刘国栋刘国栋)Fe2MnGa（朱伟）（朱伟）Co2CrGa,Si 1.NiMnGa可回复磁应变、磁增强形状记忆可回复磁应变、磁增强形状记忆
6、2.NiMnGa中内应力效应中内应力效应-王文洪王文洪3.Ni2MnGa,Sb加加Co磁场驱动相变磁场驱动相变-于淑云于淑云4.NiMnSb中磁场驱动相变大磁电阻中磁场驱动相变大磁电阻-于淑云于淑云5.NiMnFeGa大磁电阻效应大磁电阻效应-柳祝红柳祝红6.CoNiGa加加Fe实现大形变超弹性实现大形变超弹性-代学芳代学芳7.Mn2NiSn FSMA发现和交换偏置效应发现和交换偏置效应-马丽马丽8.Ni2FeGa-玻璃净化超过冷单晶生长玻璃净化超过冷单晶生长-陈京兰陈京兰9.NiFeMnAl-相变诱发相变诱发strain-glass现象现象-冯琳冯琳10.NiFeGa-磁各向异性异常磁各向异
7、性异常-钱金凤钱金凤材料制备的方法材料制备的方法(311)(214)(222)(224)(224)(422)(004)(400)(242)(422)(004)(040)(400)(202)(220)270K30405060708090Intensity(arb.units)2 Theta(deg)(214)(311)(022)(220)(222)150K(b)(022)(422)(400)(220)300k(a)(220)(400)(422)300k (311)(214)(022)(220)(224)(422)(004)(400)(222)270K 30405060708090(311)(21
8、4)(224)(422)(004)(400)(222)(022)(220)2 Theta(deg)150K 4041424344454647484950Annealed(220)peakFWHM=0.253o2-Theta=43.99o 4041424344454647484950unannealed(220)peakFWHM=1.598o2-Theta=43.39o 材料性质的检测方法材料性质的检测方法3 0 03 0 53 1 03 1 53 2 03 2 5051 01 52 02 53 03 0 03 0 53 1 03 1 53 2 03 2 50.00.40.81.21.62.0(
9、a)(b)h e a tin gc o o lin gEndoExo Heat flow(mW)T em p eratu re(K)Volum fraction m(%)100806040200 AfAsMfMs T em p eratu re(K)A A c c s su us sc ce ep pt ti i b bi i l l i i t ty y (a.u.)c o o lin g h e a tin g物理学研究方法物理学研究方法02000040000600008000020406080100120140 45 50a 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100a
10、 M(emu/g)T(K)m=1.96 mg05101520252.02.53.03.54.04.52.02.53.03.54.04.5Moment(B)CBANi50Mn25-xFexGa25Pure phaseWith second phaseFe content(x)磁性形状记忆合金：磁性形状记忆合金：Ni2MnGa第一代铁磁性形状记忆合第一代铁磁性形状记忆合金的诞生金的诞生1998：美国人和乌克兰人：美国人和乌克兰人Webster：1986我们的工作我们的工作:可回复磁感生应变可回复磁感生应变 Magnetic field-induced strainMFIS磁场控制的形状记忆磁场控制
11、的形状记忆 磁性形状记忆合金磁性形状记忆合金 CoNiAl,GaCoNiAl,Ga 1.Manfred Wuttig et al.Scripta Materialia,20012.K.Oikawa et al.APL 79,3290(2001)3.H.Morito et al4.APL 81,1658(2002)5.V.A.Chernenko et al.Scripta Materialia 50,225(2004)家族的老二：家族的老二：CoNiGa,Al20002001美国人、日本人美国人、日本人和乌克兰人发现和乌克兰人发现我们的工作我们的工作:CoNiFeGa:CoNiFeGa 大超弹性
12、大超弹性一时没有新发现，就做跟踪和一时没有新发现，就做跟踪和优化。要耐得住寂寞优化。要耐得住寂寞我们是如何发现新材料的？我们是如何发现新材料的？n在在Ni2MnGa中用中用Fe替代替代Mn改善了材改善了材料的性质料的性质n并且发现并且发现Fe达到达到80%仍然是仍然是Heusler合合金相，且仍有相变性质金相，且仍有相变性质先跟踪先跟踪再创新再创新家族的老三：家族的老三：Ni2FeGaNi2FeGa50100150200250300350400450 B1 D acr-meltingChai(a.u)T(K)T=300K(220)(a)T=300K(b)(422)(400)(220)(200)
13、(111)2 (de gr e e)Intensity(a.u.)2030405060708090T=80K(c)(224)(242)(422)(214)(331)(040)(040)(400)(302)(222)(311)(022)(202)(220)5010015020025030060708090100110 heatingcoolingR*1000（欧）T/K如果如果Fe可以可以100%替代替代Mn就就是一种新材料是一种新材料2002：中国人发：中国人发现的现的竞争中美国人的竞争中美国人的“秘密武器秘密武器”Wuttig,Nature Materials,2003定胜负的未必是武器：定
14、胜负的未必是武器：Mn2NiGaMn2NiGa的发现的发现家族的老四：家族的老四：Mn2NiGa2005：中国人发：中国人发现。源于一个中现。源于一个中国学生的好奇心国学生的好奇心Ni2MnGaNi2FeGaMn2NiGan要有好奇心。要有好奇心。传统体系里就有新材料，安传统体系里就有新材料，安心找就是了。良好心态也是生产力心找就是了。良好心态也是生产力Jpn:Nature 2006磁场驱动马氏体相变磁场驱动马氏体相变:NiMnIn:NiMnIn日本人也没有美国人的日本人也没有美国人的“武武器器”，新材料是一个个成分合，新材料是一个个成分合成中找出来的。要学习日本人成中找出来的。要学习日本人这
15、种精神。这种精神。第二代第二代FSMA磁场驱动马氏磁场驱动马氏体相变体相变NiMnIn2006年日本人年日本人发现的发现的1）G=U-ST-MH2)dT/dH=D DM/D DS磁场驱动马氏体相变的可能磁场驱动马氏体相变的可能使磁驱相变成为可能使磁驱相变成为可能:NiCoMn:NiCoMnSbSbCoNiNiCoMnGaMn2CoNiGaMn2NiCoSnu为什么为什么Co的作的作用这么神奇？用这么神奇？对称破缺和材料设计对称破缺和材料设计0.160.240.320.400.480.56123456015304560050100Mn2CoxNiGa1-xMn2CoxNi1-xGa Molecu
16、lar moment(B)Co content(x)Mn2Co0.5Ni0.5GaMn2Co0.5NiGa0.5 M(emu/g)H(KOe)d di i 电子的交换作用电子的交换作用MnMnNiGa2.56 BCDAAMnI MnII CoCoMnII MnI Mn2Co0.5Ni0.5GaMn2Co0.5NiGa0.5u物理机制：物理机制：RKKY Stearns模型模型 自旋极化波自旋极化波还有木有？还有木有？前人发现的是前人发现的是NiMn基的基的Heusler合金合金CoMn基至今未发现马氏体相变性质，都是基至今未发现马氏体相变性质，都是强铁磁性强铁磁性FeMn基磁性比基磁性比CoM
17、n弱，比弱，比NiMn强，有强，有新新材料材料吗？吗？杂相丛生的杂相丛生的Fe2MnGa4050607080 2 theta as casting L 12 773K D O 19 1073K B 2Fe2M nG a05000 10000 15000 20000 25000 30000020406080100120 M(emu/g)Field(O e)Fe2M nG a phase D O 19 B 2-1012345-1001020304050607080 M(emu/g)H(T)30K(after 700K)30K(B2)30 K 相相(fcc)亚亚-亚磁驱转变亚磁驱转变B2相相(bcc
18、)铁磁，亚铁磁，亚-亚，亚，DO19相相(hcp)亚铁磁亚铁磁FeMnGa 磁性形状记忆合金磁性形状记忆合金100150200250-500005000100001500020000250003000035000 strain(ppm)T(k)第二代磁相变材料第二代磁相变材料的第二个家庭成员的第二个家庭成员:FeMnGa我的学生发现的。我的学生发现的。来源于一种模糊的来源于一种模糊的思维思维u两相磁性反置：更适合磁两相磁性反置：更适合磁熵变的应用熵变的应用u磁场驱动相变能力磁场驱动相变能力u高相变形变高相变形变这不太盲目了吗？这不太盲目了吗？1）磁性：磁性：TbFe2，NdFeB，FeGa2）
19、超导：）超导：MgB2，LaOFeAs3）磁相变材料磁相变材料4）左手材料，半金属，拓扑绝缘体）左手材料，半金属，拓扑绝缘体5）物理追求数学的完美，面对复杂的实际环境过于单纯物理追求数学的完美，面对复杂的实际环境过于单纯模糊物理：新材料探索模糊物理：新材料探索4050607080 2 theta as casting L12 773K DO19 1073K B2Fe2MnGa1）金属键和共价键的竞争金属键和共价键的竞争2）成相的不稳定性与结构失稳）成相的不稳定性与结构失稳3）磁性决定结构磁性决定结构4）复杂系统复杂系统5）近期结果）近期结果 uFe2CrGa原子反常占位，原子反常占位，uNiF
20、eGa中的中的strain-glass，uNiMnFeAl中的相变诱发中的相变诱发Strain-glassuCrCoGa中的磁各向异性异常中的磁各向异性异常磁性影响结构磁性影响结构1）赵晶晶的工作）赵晶晶的工作2）磁性决定结构磁性决定结构3）发现新材料）发现新材料05101520256007008009001000 TG-up TG-down DSC-up DSC-down Linear Fit of order-up Polynomial Fit of TG-downT/CGe xCo50Fe50-xGex a马氏体相变结构分析马氏体相变结构分析1）陈家华的工作）陈家华的工作2）MMX合金的
21、相变合金的相变3）结构变化）结构变化MnNi1-xFexGeMn1-xFexNiGe居里温度窗口：居里温度窗口：MMX合金合金居里温度窗口：居里温度窗口：MMX合金合金研究结果最近发表在研究结果最近发表在Nature Communications杂志上杂志上我国的知识产权也是主权我国的知识产权也是主权材料是强国之本结结 论论1）起步可以跟着别人，但最终要超过）起步可以跟着别人，但最终要超过2）新材料的发现主要是新思路的产生）新材料的发现主要是新思路的产生3）好奇心，问为什么，教育到科研的转变）好奇心，问为什么，教育到科研的转变4）许多现象没有认真被想过）许多现象没有认真被想过5）许多潜藏的新现象，新性质，新理论还在睡大觉）许多潜藏的新现象，新性质，新理论还在睡大觉4050607080 2 theta as casting L 12 773K D O 19 1073K B 2Fe2M nG aFe2NiGaMn2NiGaFe2MnGaMMX TcWD-metal
