Investigation of magneto-structural phase transitions in magnetic shape memory alloys
Şekil hatırlama özelliği gösteren malzemelerde manyeto-yapısal faz geçişlerinin incelenmesi
- Tez No: 379823
- Danışmanlar: DOÇ. DR. SELÇUK AKTÜRK, PROF. MEHMET ACET
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Fizik ve Fizik Mühendisliği, Physics and Physics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2014
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Muğla Sıtkı Koçman Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Fizik Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 148
Özet
Manyetik şekil belleğine sahip Ni-Mn tabanlı Heusler alaşımları manyeto-kalorik, dev manyeto-direnç ve şekil belleği gibi çok fonksiyonlu özellikleri sayesinde son zamanlarda araştırma konusu olarak büyük ilgi çekmiştir. Bu malzemelerde gözlenen birinci dereceden martenzitik faz geçişi ve bu faz geçişinin manyetizasyondaki bir değişimle birlikte görülmesi çok fonksiyonlu özelliklerinin ortaya çıkmasını sağlayan temel mekanizmadır. Martenzitik faz geçişi yüksek simetriye sahip yüksek sıcaklık fazı olan kübik L21 östenit yapıdan düşük simetrili düşük sıcaklık fazı olan tetragonal L10 (veya 5M, 7M, 4O modülasyonlu) martenzit yapıya geçiş şeklinde gözlenir. Martenzitik geçiş dışarıdan uygulanan bir manyetik alan veya sıcaklık değişimi sonucu ortaya çıkar. Martenzitik geçişin yanı sıra, bazı Heusler alaşımlarında düşük sıcaklıklarda bir martenzit fazdan başka bir martenzit faza (intermartensitic) geçişler gözlenmektedir. Bu malzemeler bulundukları martenzit faza göre uygulama alanlarında farklı verimler gösterdiği için, hangi ortam şartlarında malzemenin hangi fazda olduğunun bilinmesi, bunların en iyi verimle teknolojide kullanılması açısından önemlidir. Bu tez çalışmasında, Ni-Mn tabanlı manyetik şekil bellekli Heusler malzemelerinde özellikle de intermartensitic faz geçişlerini içerecek şekilde yapısal ve manyetik faz geçişlerini incelemek için Ni50Mn50-xZx (Z = Ga, Sn) alaşımlarının sıcaklığa bağlı olarak x-ışınları kırınımı (XRD), manyetizasyon (M(T)) ve direnç (R(T)) ölçümleri alınmıştır. Ni50Mn50-xGax and Ni50Mn50-xSnx örnekleri sırasıyla 12.1 ≤ x ≤ 25.2 at. % (7.49 ≤ e/a ≤ 7.98) ve 5.1 ≤ x ≤ 20.3 at. % (7.91 ≤ e/a ≤ 8.34) konsantrasyon aralıklarında birer seri alaşımlar olarak üretildi. Polikristal yapıdaki malzemeler ark ergitme yöntemi ile elde edildi. XRD ölçümleri oda sıcaklığından sıvı azot sıcaklığına kadar gerçekleştirildi ve kristalografik yapıyı belirlemek için her bir XRD ölçümünün Rietveld arıtımları yapıldı. Örneklerin direnç ve manyetizasyon ölçümleri oda sıcaklığından sıvı helyum sıcaklığına kadar gerçekleştirildi. Direnç ölçümlerinde, sıcaklığa bağlı olarak gözlenen monoton direnç değişiminden farklı bir davranış yapısal faz geçişine karşılık gelmektedir. Bu şekilde dirençteki değişimler sonucunda martenzitik ve intermartensitic geçiş sıcaklıkları belirlenmiştir. Buna ek olarak, sıcaklığa bağlı manyetizasyon ölçümleri, manyetik faz geçişlerinin yanı sıra yapısal faz geçişlerini belirlemede de kullanıldı. İki alaşım serisi için de elde edilen yapısal faz geçiş sıcaklıkları XRD'den elde edilen sonuçlar ile uyum içerisindedir. Elde edilen bu geçiş sıcaklıkları sayesinde Ni50Mn50-xGax and Ni50Mn50-xSnx alaşımları için detaylı faz diyagramları oluşturuldu. Bu faz diyagramında sıcaklığa bağlı olarak Ni50Mn50-xGax alaşımlarında bir histerisis şeklinde geniş bir intermartensitic geçiş bölgesi elde edilmiştir. Bundan farklı olarak Ni50Mn50-xSnx alaşımlarında çok az sayıda ve sadece sıcaklık azalırken intermartensitic geçişler gözlemlenmiştir. Bunun nedeni Ni50Mn50-xGax alaşımlarında manyetokristalin anizotropinin yüksek olmasına ve bunun da ikizlenme sınırlarındaki yüksek hareketliğe yol açmasına bağlanmaktadır. Ni50Mn50-xSnx alaşımlarında manyetokristalin anizotropi Ni50Mn50-xGax alaşımlarındaki kadar yüksek değildir. Her iki alaşım serisi için inter-martenzitik faz geçişi 5M (4O) → 7M → L10 sırasıyla gerçekleşmektedir. Buradan 5M, 4O ve 7M yapılarının kararlı olmayan ara yapılar olduğu ve bunun dışında L10 martenzit yapısının düşük sıcaklıklarda kararlı taban durum fazı olarak ortaya çıktığı görülmüştür. Bu sonuçlar literatürde bulunan sonuçlarla uyum içerisindedir. 5M, 4O ve 7M fazlarının yarı-kararlı olması literatürde uyabilen martenzit (adaptive martensite) yaklaşımı ile öngörülmüştür. Ayrıca, L10 martenzit fazının taban durum fazı olduğu literatürde teorik çalışmalar sonucunda elde edilmiştir. Bu sonuçlardan başka, bu çalışmada her bir martenzit yapının elektron taşıyıcı özellikleri ortaya çıkarılmıştır. Elektron taşıma özelliği saçılma merkezlerinin çeşitliliğinin artmasıyla azalmaktadır ve saçılma merkezlerinin çeşitliliği modülasyonun, ikiz sınırlarının artmasına bağlı olarak artmaktadır. Ayrıca, manyetik ölçümler sonucunda her iki alaşım serisinde de manyetik etkileşmelerin karışık ferromanyetik ve anti-ferromanyetik etkileşmeler içerdiği ve anti-ferromanyetik etkileşmelerin azalan değerlik elektron sayısı ile daha da arttığı gözlenmiştir.
Özet (Çeviri)
Recently, Ni-Mn-based magnetic shape memory Heusler alloys have attracted much research interest due to their multifunctional properties such as magnetic shape memory, magneto-caloric effect and giant magneto-resistance. The main mechanism that triggers these properties is the existence of a first order martensitic phase transition and its strong coupling to the magnetization. The martensitic transition takes place from a high temperature cubic L21 austenite phase to a low temperature L10 tetragonal (or 5M, 7M, 4O modulated) martensite structures. The martensitic transition can be triggered by an external magnetic field or temperature. Other than the martensitic transition, intermartensitic transitions can also take place for some compositions. Since these alloys exhibit functional properties depending on the type of martensite phase, for efficient applications it is important to know which structure the alloy has under varying external conditions such as temperature and magnetic field. In this thesis, to investigate the magnetic and structural phase transitions, in particular intermartensitic transitions in Ni-Mn-based magnetic shape memory Heusler alloys, we performed temperature dependent magnetization (M(T)), resistance (R(T)) and x-ray diffraction (XRD) measurements on Ni50Mn50-xZx (Z = Ga, Sn) alloys. Ni50Mn50-xGax and Ni50Mn50-xSnx samples were prepared in the composition ranges 12.1 ≤ x ≤ 25.2 at. % (7.49 ≤ e/a ≤ 7.98) and 5.1 ≤ x ≤ 20.3 at. % (7.91 ≤ e/a ≤ 8.34), respectively. The alloys were produced by arc melting. XRD measurements were performed from room temperature to liquid nitrogen temperatures, and Rietveld refinement of each x-ray spectrum has been executed to identify the crystallographic structures. Resistance and magnetization measurements were performed from room temperature to liquid helium temperatures. In resistance measurements, any change of the temperature dependence of the resistance from monotonous behavior corresponds to the phase transition. This aids in determining the martensitic and intermartensitic transition temperatures. Additionally, magnetization measured under varying temperature is also a way to determine the structural as well as the magnetic phase transitions. For both alloy series, the martensitic and intermartensitic transition temperatures obtained from M(T) and R(T) are in good agreement with XRD results. These transition temperatures are used construct detailed phase diagrams for both Ni50Mn50-xGax and Ni50Mn50-xSnx alloys. The phase diagram of Ni50Mn50-xGax shows a broad intermartensitic transition region and exhibits hysteresis in the forward and reverse transitions. In contrast to this, the intermartensitic transition for Ni50Mn50-xSnx alloys is observed only on cooling and in a narrower concentration range. The broad intermartensitic transition range in Ni50Mn50-xGax is attributed to the high magneto-crystalline anisotropy in these alloys and the resulting high twin-mobility. For both alloy series, intermartensitic transitions occur in the sequence 5M (4O) → 7M → L10. This means that the 5M, 4O and 7M are metastable martensite phases, and furthermore the alloys tend to transform to the L10 martensite phase in the ground state. These results are well correlated with earlier studies. The metastability of the 5M, 4O and 7M phases are predicted by the adaptive martensite approach. The ground state being L10 is also evidenced by theoretical studies. In addition to these results, the transport properties of the individual martensite phases are also compared in this thesis. It is found that the electronic transport in the martensitic state weakens with increased scattering caused by modulation, twin boundaries and strain. The magnetization measurements exhibit that the magnetic interactions become mixed ferromagnetic and antiferromagnetic in the martensite state of both alloy series and the antiferromagnetic interactions become more pronounced with decreasing valence electron concentration.
Benzer Tezler
- Yüksek manyetik anizotropili, kırılgan olmayan FePt tozlarının elektrik boşalımıyla üretimi, manyetik ve yapısal özelliklerinin incelenmesi
Synthesis of non-brittle FePt powder with high magnetic anisotropy by electric discharge and investigation of their magnetic and structural properties
PELİN TOZMAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2013
Fizik ve Fizik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiFizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ORHAN KAMER
- Niobyum katkılamalı NiCoMnIn manyetik şekil hafıza alaşımının yapısal, manyetik, manyetokalorik ve sertlik özelliklerinin araştırılması
Invesgitation of structural magnetic, magnetocaloric and hardness properties of niobium doped NiCoMnIn magnetic shape memory alloy
HÜLYA KİLİÇ
Yüksek Lisans
Türkçe
2022
Fizik ve Fizik MühendisliğiAnkara ÜniversitesiFizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ŞİNASİ BARIŞ EMRE
- Titanyum katkılamalı NiMnIn manyetik şekil hafıza alaşımlarının elde edilmesi ve martensitik faz geçişi - kalorik özelliklerinin araştırılması
Invesgitation of martensitic phase transformation and caloric properties of Ti doped NiMnIn magnetic shape memory alloys
TUGAY KARABACAK
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Fizik ve Fizik MühendisliğiAnkara ÜniversitesiFizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ŞİNASİ BARIŞ EMRE
- Experiments on strongly correlated materials: magneto transport properties of VO2 and V2O3
Güçlü etkileşimli malzemeler üzerinde deneyler: VO2 ve V2O3 kristallerinin manyeto-taşıyıcı özellikleri
ENGİN CAN SÜRMELİ
Yüksek Lisans
İngilizce
2019
Mühendislik Bilimleriİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ TALİP SERKAN KASIRGA
- Sonlu boyutlu miselli liyotropik sıvı kristalik mezofazların termo-morfolojik, termotropik, termo-optiksel ve dielektrik özelliklerinin incelenmesi
Thermo-morphologic, thermotropic, thermo-optical and magneto-optical properties of lyotropic liquid crystalline mesophases with micelles of definite sizes
PINAR ÖZDEN
Doktora
Türkçe
2017
Fizik ve Fizik MühendisliğiMuğla Sıtkı Koçman ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ARİF NESRULLAZADE