一种镁系磁性形状记忆合金及其获得方法技术

本发明专利技术公开了一种镁系磁性形状记忆合金，通式为Mg2YZ，其中Y＝Ti或V，Z＝Al、Ga或In。本发明专利技术还公开了一种镁系磁性形状记忆合金结构和性质预测方法，基本过程包括：A.计算化学计量比体系的结合能，预判材料存在的可能性，确定初始立方奥氏体结构及磁性配置；B.通过四方变形研究可能的马氏体相变；C.计算弹性常数及声子谱，判断稳定性。本发明专利技术采用第一性原理计算法从原子尺度研究镁系合金材料的结构和性质，在深入理解所述合金的微观本质基础上，找到一种磁性形状记忆效应的轻质合金，具有成本低、周期短、重复性好、准确性高的优点。

A magnesium based magnetic shape memory alloy and its obtaining method

The present invention discloses a magnesium-based magnetic shape memory alloy with a general formula of Mg2YZ, in which Y = Ti or V, Z = Al, Ga or In. The present invention also discloses a method for predicting the structure and properties of magnesium-based magnetic shape memory alloys. The basic process includes: A. calculating the binding energy of stoichiometric system, predicting the possibility of material existence, determining the initial structure and magnetic configuration of cubic austenite, B. studying the possible martensitic transformation through tetragonal deformation, C. calculating. The elastic constants and phonon spectra are used to judge the stability. The invention adopts the first-principles calculation method to study the structure and properties of magnesium alloy materials at atomic scale, and finds a light alloy with magnetic shape memory effect on the basis of a thorough understanding of the microscopic nature of the alloy, which has the advantages of low cost, short cycle, good repeatability and high accuracy.

【技术实现步骤摘要】
一种镁系磁性形状记忆合金及其获得方法
本专利技术属于计算机与材料交叉领域，具体涉及一种镁系磁性形状记忆合金及其获得方法。
技术介绍
形状记忆合金是一类具有形状记忆性能以及超弹性的材料，其形状记忆的性能微观上是通过晶相结构的相互转变来实现的。而磁性形状记忆合金兼具传统形状记忆合金应变大和磁致伸缩材料响应快的优点，因此广受关注。现有技术中，常见的磁性形状记忆合金多为Ni基、Co基、Fe基的。Ni基磁性形状记忆合金主要包括Ni-Mn-Ga，Ni-Mn-A1，Ni-Fe-Ga，Ni-Mn-In，Ni-Mn-Sn，Ni-Mn-Sb等，均属于L21型Heusler合金族。其高温奥氏体相为面心立方结构，属于空间群。低温马氏体相，根据合金成分不同，有体心四方、体心正交等多种晶体结构。Ni-Mn-Ga合金是研究最早、最广泛、最深入的合金系，添加稀土元素和间隙原子能调控它们的力学性能、居里温度、磁化强度以及相变温度等。目前已经开发了一系列具有磁场诱发马氏体相变的Ni-Co-Mn-X(X＝In，Sn，Sb)合金，并获得了磁控形状记忆效应、巨磁阻、磁热等丰富的物理效应。Co基磁性形状记忆合金主要包括Co-Ni-Ga，Co-Ni-A1，Co-Ni。其中，Co-Ni-Ga和Co-Ni-A1属于L21型Heusler合金族。Co基磁性形状记忆合金的特点是具有高韧性，宽的马氏体相变和磁性转变温度范围和宽的超弹性温区。Co基合金的马氏体相变温度和居里温度对成分非常敏感，马氏体相变温度随Co和Ga，Al含量增加而升高，居里温度随Co含量增加而升高，随Ga和Al含量增加而降低，这种不同的变化趋势拓展了其应用场景。Fe基磁性形状记忆合金主要包括Fe-Pd，Fe-Pt，Fe-Mn-Ga。其中Fe-Mn-Ga合金的面心立方相属于Heusler合金，是近期才开发出来的磁性形状记忆合金。刘国栋、王新强等(Fe和Co元素在铁磁性形状记忆合金Mn50Ni25-xFe(Co)xGa25中的作用，物理学报2006(09)，4883-4887)系统研究了Fe-Mn-Ga合金的晶体结构，发现在比较小的成分范围内该合金具有体心立方结构，而在较大的成分范围内为体心立方和面心立方的双相结构。Fe-Mn-Ga合金的体心立方相具有热弹性马氏体相变特征，相变产物为体心四方相。但是，上述这些合金密度都较大(8～10g/cm3)，限制了它们的轻质应用。随着计算机技术、数值模拟与预测方法在材料科学与工程领域所取得的进步，近年来，“计算材料学”已发展为一个新兴的、跨学科分支，它综合了材料科学、物理学、计算机科学、数学、化学以及机械工程等学科。“计算材料学”的发展，使材料科学研究从半经验定性描述逐渐进入定量预测控制的更为科学的阶段。据预期，今后材料科学研究将是“试验-数据库的更新-计算机模拟-合成新材料”间的无限循环。计算机模拟与预测在新材料的开发中有着降低研制成本及缩短研制周期的作用。计算机模拟与预测主要基于数值模拟方法及一些数学方法等的计算或求解，结合材料的其他特性，用计算机来实现对材料的组分、性能及工艺性质等的模拟和预测。第一性原理计算法是计算材料学中对微观领域的原子尺度模拟计算最常用的方法。除了采用非相对论近似、绝热近似和轨道近似等3个数学上的近似处理外，第一性原理计算法在计算中只利用原于序数、普朗克常数、电子质量和电量4个基本物理常数，而不借助任何经验常数；因此计算过程严谨，优于其他计算方法。现有技术中已经有报道通过第一性原理计算和优化而得到了新型材料；如公开号CN103979524A(公开日2014年8月13日)的中国专利技术专利申请“一种新型二维层状碳材料”，就公开了一种利用第一性原理计算方法进行结构优化而得到的新型二维层状碳材料。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种新型的镁系磁性形状记忆合金，其密度为2.68～3.86g/cm3，远小于现有磁性形状记忆合金，在航空、航天、汽车轻量化等轻质应用领域将具有广阔的应用前景。为了实现上述专利技术目的，本专利技术采用了如下的技术方案：一种镁系磁性形状记忆合金，通式为Mg2YZ，其中Y＝Ti或V，Z＝Al、Ga或In。优选的，所述镁系磁性形状记忆合金具有如下特征：1)立方相晶相结构属于空间群，Wyckoff坐标分别是Mg1(0，0，0)、Mg2(1/4，1/4，1/4)、Y(1/2，1/2，1/2)和Z(3/4，3/4，3/4)，其中Y和Z如前定义；晶格常数为：a＝b＝c＝6.55～6.70A；2)四方相晶相结构属于空间群，Wyckoff坐标分别是Mg1(0，0，0)、Mg2(0，1/2，1/4)、Y(0，0，1/2)和Z(0，1/2，3/4)，其中Y和Z如前定义；晶格常数为：优选的，所述镁系磁性形状记忆合金选自下面的一种或多种：I.Mg2TiAl，II.Mg2TiGa，III.Mg2TiIn，IV.Mg2Val，V.Mg2VGa。本专利技术还提供上述镁系磁性形状记忆合金的获得方法，包括基于第一性原理计算法的计算机模拟计算，基本过程包括：A.计算化学计量比体系的结合能，预判材料存在的可能性，确定初始立方奥氏体结构及磁性配置；B.通过四方变形研究可能的马氏体相变；C.计算弹性常数及声子谱，判断稳定性。优选的，所述获得方法包括如下的步骤：1)计算Mg、Ti、V、Al、Ga原子基态能量；2)搭建初始结构模型，包括Heusler结构和反Heusler结构，以及不同磁性配置；3)对步骤2)所述模型进行结构优化，获得Mg2YZ不同结构、磁性的总能，其中Y＝Ti或V，Z＝A1、Ga或In；4)由步骤2)和步骤3)得到Mg2YZ不同结构、磁性的结合能，得到立方奥氏体相(反Heusler结构)、铁磁性配置；5)对步骤4)得到的立方奥氏体相进行四方变形计算，得到四方马氏体相；6)计算步骤5)得到的四方马氏体相的弹性常数，判断力学稳定性；7)计算步骤5)得到的四方马氏体相的声子谱，判断动力学稳定性。优选的，所述获得方法中，参数设置为：(1)基于密度泛函理论的VASP软件包进行计算，电子与原子核之间的相互作用采用投影缀加波(PAW)方法，交换关联能采用PBE形式的广义梯度近似(GGA)；(2)选取的Mg、Ti、V、Al、Ga、In赝势的价电子组态分别是3s2、3d34s1、3p63d44s1、3s23p1、4s24p1、5s25p1；(3)平面波截断能选取450eV；K点网格均以Gamma点为中心；自洽计算时密度取非自洽计算时取计算声子谱时取能量和力的收敛标准分别是10μeV和(4)结构优化，考察L21和XA两种构型，原子占位如前所述，以及顺磁、铁磁、反铁磁三种磁性配置；其中，顺磁和铁磁结构优化采用物理学原胞，分别设置为非自旋极化和自旋极化的默认磁矩配置，反铁磁优化采用基于原胞2×1×1的超胞(8个原子)；所述默认磁矩配置为4个Mg原子都是0，Y1和Z1为正，Y2和Z2为负；(5)声子谱计算过程中，建立基于惯用晶胞2×2×2的超胞(128个原子)，用VASP计算各原子的力常数，然后用phonony软件进行声子计算。本公开的获得新型合金的方法基于计算机，采用第一性原理计算法从原子尺度研究镁系合金材料的结构和性质，在深入理解所述合金的微观本质基础上，找到一种磁性本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种镁系磁性形状记忆合金，其特征在于：通式为Mg2YZ，其中Y＝Ti或V，Z＝Al、Ga或In。

【技术特征摘要】
1.一种镁系磁性形状记忆合金，其特征在于：通式为Mg2YZ，其中Y＝Ti或V，Z＝Al、Ga或In。2.根据权利要求1所述的镁系磁性形状记忆合金，其特征在于：1)立方相晶相结构属于空间群，Wyckoff坐标分别是Mg1(0，0，0)、Mg2(1/4，1/4，1/4)、Y(1/2，1/2，1/2)和Z(3/4，3/4，3/4)，其中Y和Z如前定义；晶格常数为：2)四方相晶相结构属于空间群，Wyckoff坐标分别是Mg1(0，0，0)、Mg2(0，1/2，1/4)、Y(0，0，1/2)和Z(0，1/2，3/4)，其中Y和Z如前定义；晶格常数为：3.根据权利要求1所述的镁系磁性形状记忆合金，所述镁系磁性形状记忆合金选自下面的一种或多种：Mg2TiAl、Mg2TiGa、Mg2TiIn、Mg2VAl、Mg2VGa。4.权利要求1至3中任一项所述镁系磁性形状记忆合金的获得方法，包括基于第一性原理计算法的计算机模拟计算，基本过程包括：A.计算化学计量比体系的结合能，预判材料存在的可能性，确定初始立方奥氏体结构及磁性配置；B.通过四方变形研究可能的马氏体相变；C.计算弹性常数及声子谱，判断稳定性。5.根据权利要求4所述的获得方法，其特征在于：包括如下的步骤：1)计算Mg、Ti、V、Al、Ga原子基态能量；2)搭建初始结构模型，包括Heusler结构和反Heusler结构，以及不同磁性配置；3)对步骤2)所述模型进行结构优化，获得Mg2YZ不同结构、磁性的总能，其中Y＝T...

【专利技术属性】
技术研发人员：彭文屹，江长双，刘聪，朱峰，袁林，
申请(专利权)人：南昌大学，
类型：发明
国别省市：江西,36