随着全球经济的持续繁荣发展，人们对节能环保制冷技术的需求也不断增加。据推测，在未来50年内，住宅制冷所需的能源已经超过了供暖所需的能源。如今，冷却仍然基于蒸汽压缩技术，这种技术使用的是危险、具有爆炸性的气体，其全球变暖潜势比二氧化碳严重一千倍。固态热量冷却是解决这些问题最有希望的方法。该技术是基于材料在受到外部刺激时的绝热温度变化Ad或等温熵变化sT。外部刺激主要有磁热(磁场)、电热(电场)、压热(静压)和弹热(单轴载荷)，作为一种潜在的解决方案，两种外部刺激的结合被认为是多热量效应。磁场有利于高温、高磁化奥氏体，而单轴载荷和静水压力能够稳定低温、低磁化马氏体。对Ni-Mn基Heusler合金的多项研究表明，循环热效应可以通过同时或连续施加磁场和机械场来进行大幅度调整。尽管多热量冷却概念在Ni-Mn基Heusler合金中具有巨大潜力，目前尚未研究微观结构的影响。

德国达姆施塔特工业大学的研究人员分析了磁场和单轴应力下微观结构对Ni-Mn-In磁滞现象中单热效应和多热性能方面的影响，表明了微观结构对于使用Ni-Mn基变磁形状记忆合金进行多热量冷却的关键作用。相关论文以题为“Influence of microstructure on the application of Ni-Mn-In Heusler compounds for multicaloric cooling using magnetic field and uniaxial stress”发表在Acta Materialia。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.117157

Ni-Mn-In合金通过电弧熔炼制备，考虑到烧损添加过量3%的Mn，熔化后吸入直径3mm，高度30mm的圆柱形水冷铜模中，然后在氩气氛围下进行900℃×24h退火(水淬)。

研究发现温度相关的XRD揭示了从高温L21奥氏体到低温3M单斜马氏体的马氏体转变。利用两相的晶格参数和对称关系，计算了应力诱发马氏体相变在不同晶体方向上的应变。当奥氏体相沿[001]方向压缩时，发现最高转变应变为5.8%。通过EBSD对吸铸和电弧熔炼微观结构的比较揭示了两种合成技术的<001>凝固织构。通过将这些数据与应力应变测量数据相关联，证明了织构对应力诱发马氏体相变的强烈影响。结果表明，压缩方向上的<001>织构可降低临界转变应力。

图1 Ni-Mn-In粉末在300K、280K和260K三种温度下经零场冷却后的XRD图

图2吸铸和电弧熔炼Ni-Mn-In的EBSD横纵向极图、反向极图

图3 不同温度下吸铸Ni-Mn-In合金的等温压缩应力-应变曲线、应力与温度的对应关系以及305K起始温度下加载和卸载的温度-时间曲线

图4吸铸Ni-Mn-In零场冷却后组织的温度依赖性演变

通过吸铸(晶粒尺寸为41 μm)获得了比常规电弧熔炼(晶粒尺寸为675 μm)高近40%的抗压强度。在吸铸Ni-Mn-In合金中，扫描速率高达1850T/s时，发现了磁场诱导的反向马氏体相变的瞬时响应。建立了吸铸Ni-Mn-In的温度-应力和温度-磁场相图。在较高的外加磁场下，尽管单轴应力稳定了马氏体和磁场稳定了奥氏体相，但观察到两种刺激下的热滞后和宽度都在增加。在磁场变化为1.9 T时，-1.2 K的最大循环效应在连续应力为55 MPa时可增加200%以上至-4.1 K。这一显著的绝热温度变化比在类似磁场下Ni-Mn基Heusler的最高循环磁热效应高出三分之一以上。

本文阐明了微观结构对Ni-Mn-In Heusler合金应用于磁场和单轴应力多热量冷却的显著影响。证明了优化的微观结构设计以及磁场和应力的结合可以在中等外场条件下使Ni-Mn-In型超磁形状记忆合金产生大的循环热效应。这一发现能够促进其他材料中的多热量效应的研究，说明了多种刺激结合在环境友好制冷方面的潜力。（文：破风）

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