Computation-Guided Design of Ni–Mn–Sn Ferromagnetic Shape Memory Alloy with Giant Magnetocaloric Effect and Excellent Mechanical Properties and High Working Temperature via Multielement Doping

磁制冷 材料科学 形状记忆合金 居里温度 兴奋剂 铁磁性 无扩散变换 合金 凝聚态物理 马氏体 磁性形状记忆合金 热力学 冶金 磁化 光电子学 微观结构 磁场 磁畴 物理 量子力学
作者
Kun Zhang,Chaolin Tan,Wenbin Zhao,Erjun Guo,Xiaohua Tian
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:11 (38): 34827-34840 被引量:28
标识
DOI:10.1021/acsami.9b08640
摘要

Ni–Mn–Sn ferromagnetic shape memory alloys (FSMAs) have promise for application in efficient solid-state refrigeration. However, the simultaneous achievement of giant magnetocaloric effect (MCE) and excellent mechanical properties and high working temperature in these materials is always the challenge. Computation-guided materials design techniques provide an efficient way to design and identify new magnetocaloric materials. Herein, a new strategy of multidoping is presented. First, we conduct a detailed and comprehensive first-principles study and predict that Ni–Mn–Sn FSMAs with co-doping 6.25 atom % Cu and 6.25–12.5 atom % Co can realize the multiobjective optimization of magnetocaloric material. Then, it is confirmed by experiment and we report on Ni40Co8Mn37Sn9Cu6 FSMA exhibiting a large magnetic entropy change (34.8 J/(kg K)) of a large value in the prevalent MCE materials at high temperature (∼344 K) and whose compression stress and strain (∼1072.0 MPa and ∼11.9%) are both the largest among Ni–Mn-based MCE materials. Notably, the effect of Co and Cu doping is not simply stacked because they play opposite roles in Curie temperature (TC) and martensitic transformation temperature (TM). So, achieving the balance of their effect to combine their merits in a very narrow window is the key step. This approach of multielement doping holds promise to be extended to other magnetocaloric materials to enhance their multiple properties simultaneously.
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