Ni-Mn-Sn磁性记忆合金的压热效应研究
摘要
由于传统蒸汽压缩制冷技术具有突出的环境问题，以压卡效应为代表的绿
色清洁的固态制冷技术应运而生。Ni-Mn-Sn磁性形状记忆合金因具有优异的
热效应以及滞后损耗小、潜热高、造价低等优势，成为极具潜力的固态制冷材
料。然而，由于其相变温度对压力的敏感性（dT/dp）较低，所需的驱动压力
值过高，严重限制了它们在压热制冷中的研究和应用。因此，提高合金的
dT/dp值并降低压力门槛值是十分必要的。为此，本文以第一性原理计算为理
论指导，结合实验验证的设计模型，系统研究Mn含量提升、元素掺杂（Fe、
Co、Ti）两种方法对Ni-Mn-Sn合金dT/dp的影响规律与机理。
增加Ni-Mn-Sn合金中的Mn含量可实现dT/dp的提升。理论计算部分用合
金在压力下两相能量差的变化d(ΔE)/dp表征其dT/dp。结果表明，Ni-Mn-Sn合
金的d(ΔE)/dp随着Mn含量升高呈线性增加，其中Ni16Mn14Sn2合金的
d(ΔE)/dp1.705meV/GPa，其d(ΔE)/dp值接近NiMnSn合金的四倍，但是
16115
Mn含量升高在提升合金dT/dp的同时会引起相变温度升高。
相比Fe元素掺杂，适量的Co、Ti元素掺杂不仅可进一步实现Ni-Mn-Sn
合金dT/dp的有效提升，还能够降低合金的相变温度，增强合金的磁性能。其
中，NiCoMnSn、NiTiMnSn合金的d(ΔE)/dp更是分别高达2.775
1514215142
meV/GPa，2.747meV/GPa，相比NiMnSn合金提升约60%，电子结构分析
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表明合金马氏体相在施加压力后比未掺杂前稳定性更高。此外，弹性常数计算
结果表明Co元素掺杂可以提升Ni-Mn-Sn合金的力学性能。
为验证计算中Mn含量提升、元素掺杂（Fe、Co、Ti）提高Ni-Mn-Sn合
金dT/dp的规律准确性，本文制备四种室温附近的Ni-Mn-Sn合金样品。通过
研究它们在不同等静压下的马氏体相变行为，发现敏感性最高的
NiTiMnSn合金，dT/dp在升温与降温时分别高达30.09K/GPa与34.90
49.50.53812t
K/GPa，同时该合金仅在80MPa压力下便可实现压力诱导熵变ΔSBCE-9.52J
kg-1K-1，相比Ni50Mn37.5Sn12.5合金，其压热性能有显著提升。室温下的压缩实
验结果表明：Co元素掺杂的合金压断时的应力应变有所提升，其力学性质增
强，但是Ti元素掺杂会降低合金力学性质。
I
关键词形状记忆合金；Ni-Mn-Sn；压力敏感性；第一性原理计算；相变温度
II
StudyofthebarocaloriceffectinNi-Mn-Snmagnetic
memoryalloys
Abstract
Duetotheoutstandingenvironmentalproblemsoftraditionalvapor
compressionrefrigerationtechnology,thegreenandcleansoli