авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 | 4 |

Фазовые переходы и гигантские деформации в сплавах гейслера во внешних полях

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

КОЛЕДОВ ВИКТОР ВИКТОРОВИЧ

ФАЗОВЫЕ ПЕРЕХОДЫ И ГИГАНТСКИЕ ДЕФОРМАЦИИ

В СПЛАВАХ ГЕЙСЛЕРА ВО ВНЕШНИХ ПОЛЯХ

Специальность 01.04.11 – физика магнитных явлений

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора физико-математических наук

Москва – 2008

Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Институте радиотехники и электроники им. В.А.Котельникова РАН

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор Ю.М.Гуфан

доктор физико-математических наук,

профессор И.М.Муковский

: доктор физико-математических наук,

профессор С.А.Никитин

Ведущая организация: Институт сверхпроводимости и физики твердого тела

РНЦ «Курчатовский Институт»

Защита состоится 14 ноября 2008 г. в 10 ч. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д.002.231.01 при Учреждении Российской академии наук Институте радиотехники и электроники им. В.А.Котельникова РАН, по адресу: 125009, Москва, ГСП-9, ул. Моховая 11, стр. 7.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИРЭ им. В.А.Котельникова РАН

Автореферат разослан «___»_____________ 2008 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

д.ф.-м.н., профессор, С.Н.Артеменко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. На рубеже XXI века в различных разделах физики твердого тела был сделан ряд ярких достижений, которые с одной стороны существенно расширили представления о возможной величине физических эффектов, но с другой показали ограниченность устоявшихся теоретических представлений, привлекаемых для их объяснения и предсказания, и таким образом поставили фундаментальные проблемы первостепенной важности. Среди них, например, открытие высокотемпературной сверхпроводимости в керамиках оксидов купратов и эффекта гигантского магнитосопротивления в манганитах. К этому же разряду можно отнести и обнаружение эффекта гигантских магнитодеформаций в сплавах Гейслера. Если до конца 1990-х гг «гигантскими» именовали магнитодеформации в сплавах TbFe, которые составляют в лучшем случае 0,3%, то в монокристаллах сплава Гейслера Ni2MnGa стали достижимыми деформации – 1-10%, контролируемые магнитным полем с индукцией до 1 Тл. Анализ на основе феноменологической теории фазовых переходов позволил качественно описать взаимодействие магнитного и структурного (мартенситного) фазового перехода. Однако эти успехи теории весьма далеки от того, чтобы предсказать количественно, отталкиваясь от состава, характеристики сплава и указать путь к достижению предельных значений эффектов. Сам за себя говорит, например, тот факт, что область составов сплавов Гейслера в которой одновременно наблюдаются ферромагнетизм и термоупругое мартенситное превращение обнаружена так поздно – в 1980-х гг [1].

Сильным стимулом к изучению проблемы гигантских магнитодеформаций в сплавах Гейслера являются перспективы технических приложений. Еще быстрее, чем продвигались теоретические разработки, а точнее, всего за 5 лет с момента обнаружения в 1996 г эффекта гигантских магнитоуправляемых деформаций за счет движения двойников низкотемпературной структурной (мартенситной) фазы в монокристаллах сплава Ni2MnGa [2], появились коммерческие образцы магнитоуправляемых актюаторов, использующих монокристаллы Ni2MnGa в качестве функционального материала [3]. Однако, стало ясно, что прикладные возможности новых материалов на этом не исчерпываются. Весьма привлекательным было бы использовать гигантские деформации в поликристаллических материалах, более дешевых и технологичных. Значительный интерес в различных областях - от нанотехнологии до медицины представляет возможность универсального изменения формы исполнительного элемента под действием магнитного поля, которая в результате магнитоуправляемого мартенситного ФП достигается в поликристаллическом сплаве NiMnGA при постоянной температуре. Однако, эти перспективы возможно раскрыть в полной мере только при углубленном изучении процессов фазовых магнитных и структурных превращений во внешних полях – тепловом, магнитном, упругом, ультразвуковом.



Протекание физических процессов в веществе вблизи ФП тесно связано с особенностями кристаллической структуры, в частности, с характерным размером ее неоднородности, а именно, зерна поликристаллического сплава или мартенситного двойника низкотемпературной структурной фазы. В конечном счете, взаимодействие этих элементов структуры сплава и определяет возможность применения монокристаллов или поликристаллов для достижения эффекта гигантских магнитодеформаций. Особенно необычными оказались магнитные свойства сплавов Гейслера, при их изготовлении в сильно неравновесном квазиаморфном или нанокристаллическом (размер зерна 1 - 30 нм) состоянии методами напыления или интенсивной пластической деформации [4, А17]. Эти обстоятельства с очевидностью указывают на то, что не только проявление магнитодеформационных эффектов, но сама природа магнитного и структурного ФП тесно связаны со структурой и степенью упорядочения сплава. Таким образом, открытие ферромагнетиков с памятью формы впервые позволило углубленно во взаимосвязи изучить, фундаментальны проблемы, как магнетизма, так и структурного упорядочения конденсированного твердого тела (сплава Гейслера). С этими обстоятельствами связана актуальность и большой интерес к исследованиям по данной проблеме.

Цели и задачи работы. Диссертационная работа посвящена экспериментальному изучению процессов фазовых магнитных и структурных превращений в сплавах Гейслера семейства Ni-Mn-Ga во внешних полях: тепловом, магнитном, упругом, ультразвуковом, а также связанных с ними эффектов «гигантских» магнитоиндуцированных изменений размеров и энтропии.

Конкретные задачи, которые решались в процессе работы следующие.

1). Установить основные закономерности, определяющие связь состава образца сплава Гейслера с его магнитными и механическими свойствами и выбрать композиции сплава из семейства Ni-Mn-Ga, которые позволяют изучать магнитный и мартенситный фазовые перехода, а также изменение свойств сплава вблизи переходов в достаточно широком интервале внешних полей теплового, упругого, магнитного, ультразвукового.

2). Разработать методики прецизионного исследования фазового состояния образца сплава и его структуры, а также его физических свойств непосредственно в процессе фазового перехода. Исследовать основные закономерности протекания мартенситного перехода в ферромагнитном сплаве под воздействием внешних полей теплового, упругого, магнитного, ультразвукового, и на этой основе оценить потенциальные возможности применения поликристаллических сплавов Гейслера в качестве термо- и магниточувствительных функциональных материалов.

3). Разработать экспериментальную методику измерения «гигантского» магнитокалорического эффекта в сплавах Гейслера и изучить закономерности проявления этого эффекта в композициях сплава, в которых наблюдается слияние мартенситного и магнитного фазовых переходов (так называемый магнитоструктурный переход).

4). Разработать методику изучения термо- и магнитоупругих свойств образцов сплавов Гейслера, изготовленных методами быстрой закалки из расплава и интенсивной пластической деформации в виде лент и экспериментально исследовать деформации сплавов за счет управляемого магнитным полем мартенситного ФП и другие магнитные и механические свойства микро- и наноструктурированных сплавов.

5) Разработать методику изучения воздействия интенсивной ультразвуковой вибрации на мартенситный переход и связанные с ним термо-и магнитоупругие эффекты в сплавах Гейслера. Изучить основные закономерности влияния интенсивной ультразвуковой вибрации на фазовое состояние и деформацию образцов сплавов Гейслера под воздействием интенсивного ультразвука.

6) На основе анализа полученных экспериментальных данных выявить новые полезные для приложений свойства изученных сплавов, сформулировать и предложить новые схемы создания функциональных материалов, механических и термодинамических устройств на их основе.

Научная новизна работы заключается в том, что впервые:

- на тройной фазовой диаграмме системы Ni-Mn-Ga установлена область, в которой наблюдается слияние магнитного (точка Кюри) и структурного мартенситного переходов в единый магнитоструктурный переход.

- экспериментально, прямым методом исследован управляемый магнитным полем связанный магнитоструктурный переход в сплаве Ni2,19Mn0,81Ga и показано, что при нем имеет место «гигантское» изменение энтропии, сравнимое по величине с рекордными в физике твердого тела.

- с помощью вновь предложенного метода исследования изгибной деформации лент в быстрозакаленных лентах сплава Ni-Mn-Ga продемонстрирован эффект памяти формы за счет магнитоуправляемого мартенситного перехода при постоянной температуре.

- предложена импульсная акустическая методика исследования влияния ультразвука на мартенситный переход и эффект памяти формы в сплавах семейства Ni-Mn-Fe-Ga, продемонстрирован и изучен акустопсевдопластический эффект; показано, что в отличие от воздействия магнитным полем, которое смещает мартенситный переход в область более высоких температур и внешнего механического напряжения, которое размывает температурную кривую мартенситного перехода, ультразвуковое воздействие может сужать температурных гистерезис мартенситного перехода.

- в нанострукутрированных сплавах NiMnGa, полученных методом интенсивной пластической деформации, обнаружена фаза с экстремально большой тетрагональностью (с/a=1.4) и аномалии магнитных свойств в низкотемпературной области, типа антиферромагнитного перехода.

Научная и практическая значимость работы. Установленные в данной работе для семейства Ni-Mn-Ga закономерности протекания магнитного и структурного ФП в зависимости от состава наблюдаются и в других сплавах семейства Гейслера вида X2YZ. Это обстоятельство открывает возможности для расширения поиска новых функциональных материалов. В работе впервые в комплексе изучено поведение магнитоупругой среды при скачкообразном изменении и взаимодействии трех пар термодинамических параметров: температура – энтропия, механическое напряжение – деформация, магнитное поле – намагниченность. Поученные данные об изменении энтропии позволяют оценить практические перспективы использования сплава NiMnGa в качестве активного элемента твердотельного термодинамического устройства – холодильника или теплового насоса. Полученные данные о термо- и магнитомеханических эффектах раскрывают возможности использования поликристаллических сплавов Гейслера в различных отраслях технологии в качестве функциональных материалов. Предложены новые схемы устройств, сочетающие магнитные и упругие эффекты, которые могут найти применение в технологии датчиков и исполнительных элементов нового поколения – способных совершать механическую работу, изменять свою форму и одновременно служить источником информации в системах измерения и контроля. Размер этих датчиков/исполнительных элементов может быть самого различного масштаба от метра до долей микрометра, соответственно, достигаемые исполнительными элементами усилия могут быть от огромных до сверхмалых.

Основные положения, выносимые на защиту:

1). Тройная фазовая диаграммы магнитного и структурного переходов в системе
Ni4-y-zMnyGaz, имеет область со слившимся магнитоструктурным переходом вытянутой формы вдоль изоэлектронной линии e/a=7,6.

2) В сплавах Гейслера семейства Ni-Mn-Ga имеет место магнитоструктурный переход, обратимый по магнитному полю, сопровождающийся «гигантским» магнитокалорическим эффектом. Изменение энтропии в сплавах Ni-Mn-Ga при «гигантском» магнитокалорическом эффекте по данным прямых экспериментов близко к наивысшим значениям известным для твердых тел ( порядка 10 Дж/кг К в поле 2 Тл).

3). В поликристаллических сплавах семейства Ni-Mn-Fe-Ga под воздействием магнитного поля происходят обратимые гигантские (до 3%) деформации (эффекты «магнитоуправляемой одно- и двусторонней памяти формы»). Эффекты объясняются магнитоиндуцированным структурным мартенситным переходом.





4). Эффект «гигантских» магнитоиндуцированных деформаций за счет маг-нитоуправляемого мартенситного перехода в быстрозакаленных лентах сплава семейства
Ni-Mn-Ga.

5). В поликристаллических сплавах семейства Ni-Mn-Fe-Ga имеют место гигантские деформации в поле интенсивной звуковой волны при постоянной температуре (акустопсевдопластический эффект), воздействие ультразвуковой способно эффективно сужать температурный гистерезис мартенситного превращения.

6). Низкотемпературные магнитные свойства сплавов семейства Ni-Mn-Fe-Ga резко изменяются при формировании в них наноструктуры методом интенсивно пластической деформации, что проявляется в переходе из ферромагнитного состояние с точкой Кюри порядка 300 К в состояние, в котором ферромагнитное упорядочение отсутствует, а при температуре около 20 К в них наблюдаются особенности магнитных свойств типа антиферромагнитного перехода, кроме того в наноструктурированных сплавах, полученных методом интенсивной пластической деформации присутствует структурная фаза с экстремальной тетрагональностью (с/а=1,4).

7). На основе обнаруженных и исследованных свойств ферромагнетиков с эффектом памяти формы возможно создание новых типов сенсоров и актюаторов, композитных слоистых материалов, акустических преобразователей и других технических решений для применений в различных областях технологии и медицины.

Личный вклад автора состоит в постановке задач, проведении всех основных экспериментальных работ, в участии в разработке и проведении теоретических моделей и расчетов, а также в обсуждении и сравнении полученных результатов. Разработка теоретических моделей проводилась совместно с В.Г.Шавровым, В.Д.Бучельниковым, И.Е.Дикштейном, расчеты по моделям проводились совместно с С.В.Таскаевым и Д.И.Ермаковым.

Апробация работы. Основные результаты работы были представлены на следующих семинарах и конференциях: 30-й и 31-й Межд. зимней школе физиков-теоретиков «Коуровка», Екатеринбург, 2004, 2006. 38-й Зимней школе ПИЯФ РАН, Гатчина 2004. 19-й и 20-й Межд. школы-семинара «Новые магнитные материалы для микроэлектроники» (НМММ), Москва, МГУ, 2004, 2006. Московском Международном Симпозиуме по Магнетизму (MISM) 2003, 2005, 2008 г., 5th, 6th European Magnetic Sensors and Actuators Conference (EMSA-2004), Cardiff, UK, 2004, Bilbao, Spain, 2006. Euro-Asian Symp. “Trends in Magnetism”, Krasnoyarsk, 2004. 7-го и 11 го Межд. симпозиумов «Фазовые превращения в твердых растворах и сплавах», Сочи, 2004, 2008. Межд. конф. «Фазовые переходы, критические и нелинейные явления в конденсированных средах», Махачкала, 2004, 2005, 2007 гг, 6-го Межд. семинара «Магнитные фазовые переходы», Махачкала, 2004, Российско-Итальянском рабочем семинаре «Ферромагнетики с памятью формы: физические свойства, приложения», г. Парма, Италия, 2005;. 1 и 2 Международной конференции по магнитному охлаждению при комнатной температуре», г. Монтре, Швейцария, 2005 г, Порторож Словения, 2007 г. Международной конференции по магнетизму г. Рим, Италия, (ICM-2003), г. Киото, Япония, (ICM-2006). Объединенном Европейском симпозиуме по магнетизму (JEMS06), г. Сан Себастьян, Испания, 2006, Международном рабочем семинаре «Вещества с обратным магнитокалорическим эффектом для применений в магнитных холодильниках», г. Кембридж, Великобритания, 2006, Europe Intern. Magn. Confer. (INTERMAG-2008), 2008, Madrid, Spain, 3rd Annual IEEE International Conf. on Nano/Micro Engineered and Molecular Systems (IEEE-NEMS 2008), 2008, Sanya, Hainan, China и др.

Публикации: основные результаты диссертации опубликованы в 27 статьях и 2 патентах на изобретения.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав и заключения. Общий объем работы 254 страницы, включая 77 рисунков и 2 таблицы. Список цитированной литературы содержит 519 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность работы, дается краткий обзор исследований по теме работы, формулируются цели и задачи работы, отмечается новизна и практическая ценность работы, приводятся положения, выносимые на защиту, даны сведения об апробации работы, кратко изложена структура и содержание работы.

Первая глава обобщает известные в литературе работы и результаты автора в области исследования свойств сплавов Гейслера семейств Ni-Mn-Ga и Ni-Mn-Ga-Fe в зависимости от состава. В разделе 1.1 изложены основные представления о структуре и свойствах семейств металлических сплавов (включая семейство Гейслера X2YZ), в которых вблизи стехиометрического состава наблюдается, высокосимметричная, кубическая, так называемая, « – фаза». Например, к – сплавам относят такие важные для физики и техники семейства, как Ni-Ti, Cu-Ni-Al, и др. Мартенситный переход, который изучается в дальнейшем – это есть результат температурной неустойчивости данной фазы. Такая неустойчивость в некоторой области концентраций сплавов приводит к спонтанному нарушению его симметричной структуры и формированию низкотемпературной низкосимметричной фазы (одной или нескольких). Можно заключить, что общим для всех – сплавов является то, что если в них наблюдается мартенситный переход, то имеет место сравнительно малая разница между энергиями высокотемпературной (аустенита) и низкотемпературной (мартенсита) фаз. Поэтому такой фазовый структурный (мартенситный) переход протекает сравнительно плавно, сопровождается двойникованием низкотемпературной мартенситной фазы, и хотя и имеет выраженный скачкообразный характер 1-го рода, но малый температурный гистерезис. Во многих случаях он имеет термоупругий характер и сопровождается термомеханическими эффектами памяти [5,6]. Особый интерес для исследования представляют мартенситные превращения в ферромагнетиках, обладающих эффектами памяти формы. Такими ферромагнетиками являются, в частности, сплавы Гейслера Ni-Mn-Ga, Ni-Mn-In, Co-Ni-Ga, Ni-Fe-Ga Co-Ni-Al, включающие переходные металлы с большим магнитным моментом и металлы третей группы таблицы Менделеева, в которых с понижением температуры происходит переход аустенит – мартенсит в ферромагнитном состоянии.

Раздел 1.2 содержит изложение феноменологической теории связанных структурных и магнитных фазовых переходов (по Ландау), с помощью которой может быть описана серия фазовых превращений в сплавах Ni-Mn-Ga, наблюдаемая в экспериментах. Особенности кристаллической и магнитной структуры ферромагнитных сплавов Ni-Mn-Ga требуют введения трех взаимодействующих параметров порядка, описывающих изменение симметрии кристаллической решетки, ее модуляцию и намагниченность. Для описания фазовых переходов в сплавах Ni-Mn-Ga рассматривается функционал свободной энергии:

(1)



Pages:   || 2 | 3 | 4 |
 

Похожие работы:










 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.