【摘 要】
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Ni-Mn-In合金由于具有大的磁场诱导输出应力和应变、巨磁热效应、巨磁阻效应以及交换偏置效应而受到广泛关注,这些优良的物理特性使其具有在传感器、微机电系统和驱动器等领域应用的潜力。在过去十几年间,研究者们证明只有具有调制马氏体结构的Ni-Mn-In合金才能呈现优异的物理性能,然而由于缺少精确的原子占位信息和调制矢量等结构信息,理论计算对Ni-Mn-In合金的探索仅停留在奥氏体母相和NM非调制马氏
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Ni-Mn-In合金由于具有大的磁场诱导输出应力和应变、巨磁热效应、巨磁阻效应以及交换偏置效应而受到广泛关注,这些优良的物理特性使其具有在传感器、微机电系统和驱动器等领域应用的潜力。在过去十几年间,研究者们证明只有具有调制马氏体结构的Ni-Mn-In合金才能呈现优异的物理性能,然而由于缺少精确的原子占位信息和调制矢量等结构信息,理论计算对Ni-Mn-In合金的探索仅停留在奥氏体母相和NM非调制马氏体相。2015年研究者借助于中子衍射技术,基于超空间理论并采用Rietveld全谱拟合法精确解析出6M调制马氏体晶体结构。基于此背景,本文拟采用Vienna Ab initio Simulation Package（VASP）量子力学计算软件包,利用第一性原理计算的方法研究Ni24Mn12+xIn12-x（x=3,4,5,6和7）合金中奥氏体和马氏体（6M和NM）各相形成能及其之间的能量差、原子磁矩、总磁矩以及电子结构等信息,并采用计算模拟与实验相结合的方法解析成分-结构-性能三者之间的关系。主要创新性工作及结果如下:（1）采用第一性原理计算方法在化学计量比Ni2MnIn合金的基础上研究了成分调整过程中过量原子的优先占位,确认Mn原子倾向于直接占据In原子位置,同时揭示了过量Mn原子在Ni-Mn-In合金超胞中的分布规律。（2）系统计算了 Ni24Mn12+xIn12-x（x=3,4,5,6和7）合金中奥氏体和马氏体（6M和NM）相形成能随合金成分的变化规律,并通过计算Ni-Mn-In合金的顺磁奥氏体和铁磁奥氏体相之间的能量差△E1、Ni-Mn-In合金的母相与马氏体相之间的能量差△E2,阐明了居里温度和马氏体相变温度随合金成分变化的内在机理。理论预测马氏体转变临界成分与实验值相符。第一性原理计算结果表明,当x≥4时Ni24Mn12+xIn12-x合金存在磁-结构耦合转变。（3）计算了Ni24n12+xIn12-x（x=3,4,5,6和7）合金中奥氏体和马氏体相（6M和NM）的总磁距和原子磁矩。总磁距主要由Mn原子和Ni原子贡献,母相奥氏体的总磁距随着Mn含量的增加而增大,马氏体的总磁距随着Mn含量的增加而下降。马氏体转变后,MnMn与MnIn原子由铁磁性耦合转变为反铁磁耦合,这主要是由退磁效应导致Mn-Mn原子平均间距缩短所致。（4）基于DSC分析证明相变温度随着Mn含量增加而升高;XRD、SEM和M-T曲线综合分析表明,x≥4时Ni24Mn12+xIn12-x（x=3,4,5,6和7）合金存在磁-结构耦合转变,证明了第一性原理计算结果的可靠性。通过计算结果,预测Ni24Mn12+xIn12-x（5≤x≤7）成分区间为磁-结构耦合转变的最优成分区间,并得到实验验证。其中Ni24Mn17In7合金（x=5）的相变温度接近室温,且可通过控制磁场来调控马氏体相变温度。饱和磁化强度△M每变化74 emu/g,相变温度将变化6 K。通过马氏体相变可获得37.86J·kg-1·K-1的熵变,随着Mn含量增加熵变显著增大。以上研究的完成不仅可以填补包含调制马氏体在内的Ni-Mn-In合金（中间）马氏体相变规律和机理的理论研究空白,还可以为该合金的成分设计和性能优化提供理论依据。
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