铁磁形状记忆合金设计

铁磁形状记忆合金是一类兼具铁磁性和热弹性马氏体相变的金属间化合物，它们组分多元、结构多型、性能独特且可控性好，具有高响应频率、巨磁阻效应及巨磁热效应等优良的物理特性和巨大的开发潜力，可用于驱动器、传感器、磁微机电系统，是目前国际金属功能材料和凝聚态物理领域的研究热点之一。性原理计算已被广泛应用于铁磁形状记忆合金的研究工作当中，其涉及物理、化学、材料、数学和计算机等各学科，基础理论和算法非常丰富，理论性要求也很高。本书是笔者在多年使用性原理计算对铁磁形状记忆合金研究的积累上撰写而成的，并结合了国际和国内同行的研究成果，具有专业性强和知识点讲授较深的双重特征，我们希望本书能够不辜负读者的期望。

本书共分为5章，第1章讲述了铁磁形状记忆合金的发展历程与优良性能，并结合国内外的相关文献资料，对铁磁形状记忆合金的实验研究进展和性原理计算研究进展进行了概要介绍。

第2章以化学计量比的Ni2XY（X=Mn，Fe，Co；Y=Ga，In）合金为对象，详细讲述了合金的奥氏体母相和产物马氏体相的晶体结构优化、相稳定性、四方畸变、磁性能和电子结构的变化，并研究了5层调制马氏体和7层调制马氏体的相稳定性和磁性能。

第3章在化学计量比的Ni2XY（X=Mn，Fe，Co；Y=Ga，In）合金的基础上，通过引入点缺陷调整合金成分，详细计算了合金缺陷形成能、原子优先占位以及缺陷磁结构的变化规律。

第4章以备受研究者青睐的合金体系——非化学计量比的Ni-Mn-Ga合金为对象，进一步探索合金在成分调整过程中富余组成原子的优先占位方式，系统地研究了奥氏体母相、5M、7M和NM马氏体各相的形成能及相变规律，并且从电荷密度和电子态密度的角度分析了合金相稳定性和磁性能变化的本质原因。

第5章从Ni-Mn-Ga合金实际应用面临的问题出发，研究了Ni-Mn-Ga三元合金中添加不同的第四组元Co、Cu和Ti的结构与性能计算，分析了不同第四组元对合金居里温度、马氏体相变温度、磁性能以及电子结构的影响规律。

本书第1～3章由白静、顾江龙共同撰写，第4章由许楠、顾江龙共同撰写，第5章由白静、王锦龙共同撰写，白静负责统稿。本书的出版得到了东北大学秦皇岛分校资源与材料学院的大力支持，在此致以诚挚的谢意。

由于笔者的水平所限，书中不足之处，欢迎广大读者批评指正。

著者

2019年3月14日

铁磁形状记忆合金具有优良的物理特性和巨大的开发潜力。本书将简要介绍铁磁形状记忆合金的国内外研究现状，着重就铁磁形状记忆合金的成分设计和性能优化的*性原理计算方面的工作做系统阐释。

本书由五部分组成，分别介绍了铁磁形状记忆合金的发展历程与优良性能；化学计量比的Ni2XY(X=Mn,Fe,Co;Y=Ga,In)合金的基本物理特性；非化学计量比Ni-X-Y合金中缺陷对马氏体相变和磁性能的影响；奥氏体母相、5M、7M和NM马氏体各相的稳定性和相关磁性能；Ni-Mn-Ga三元合金中添加不同的第四组元对结构与性能的影响。

本书可作为材料相关领域技术人员的参考书，也可作为高等院校材料科学与工程、功能材料、材料物理等专业的研究生和高年级本科生教材。

白静，东北大学秦皇岛分校河北省电介质与电解质功能材料实验室，副教授，副主任，作者长年从事铁磁形状记忆合金的成分设计和性能优化的研究。目前在此研究领域中积累了较丰富的研究基础。作者于2015年入选河北省“三三三人才工程”第三层次。在科研方面，作者作为项目负责人主持国家自然基金面上项目1项；国家自然科学基金青年基金1项；河北省自然基金项目1项；中央高校基本业务费——新世纪优 秀人才培育项目1项。作为主要参加人，参与多项国家自然科学基金国际合作与交流项目、国家自然科学基金重点项目以及中法合作等项目。作者发表SCI、EI检索的高水平学术论文30余篇，此外，还担任了多个国际SCI期刊的审稿人。

第1章绪论1

1.1引言1

1.2铁磁形状记忆合金的实验研究进展3

1.2.1晶体结构及相变规律3

1.2.2铁磁形状记忆效应11

1.2.3组织性能调控12

1.3铁磁形状记忆合金的理论研究进展20

1.3.1Ab-initio计算简介20

1.3.2晶体结构，磁性能以及电子结构22

1.3.3马氏体相及其转变27

1.3.4预马氏体转变和声子衍射28

1.3.5力学性能和点缺陷中原子占位28

1.3.6合金化第四组元29

第2章化学计量比Ni2XY（X=Mn，Fe，Co；Y=Ga，In）合金的晶体结构、磁性能和电子结构30

2.1引言30

2.2计算方法31

2.3Ni2XY（X=Mn，Fe，Co；Y=Ga，In）合金的结构参数、相稳定性和磁性能31

2.3.1结构参数优化31

2.3.2立方母相的能量稳定性33

2.3.3立方母相的磁性能与电子态密度35

2.3.4合金系的能量和磁性能随四方畸变度的变化41

2.4Ni2MnGa合金调制马氏体的结构参数、相稳定性和磁性能47

2.4.1Ni2MnGa合金的结构参数优化47

2.4.2Ni2MnGa合金各相的相稳定性48

2.4.3Ni2MnGa合金各相的磁性能及其变化49

2.4.4Ni2MnGa合金各相的态密度及其差分电荷密度54

第3章Ni-X-Y（X=Mn，Fe，Co；Y=Ga，In）合金缺陷形成能和缺陷磁结构56

3.1引言56

3.2计算方法57

3.3计算结果与分析58

3.3.1Ni-X-Y合金的缺陷形成能58

3.3.2Ni-X-Y合金中形成缺陷的优先占位60

3.3.3Ni-X-Y合金的磁结构61

第4章非化学计量比Ni-Mn-Ga合金调制马氏体的相稳定性和磁性能70

4.1引言70

4.2计算方法71

4.3计算结果与分析71

4.3.1Ni-Mn-Ga合金超级胞中富余组成原子的优先占位71

4.3.2Ni-Mn-Ga合金各相的相稳定性74

4.3.3Ni-Mn-Ga合金各相的结构参数78

4.3.4Ni-Mn-Ga合金各相的磁矩80

4.3.5Ni-Mn-Ga合金各相的电子结构91

第5章掺杂合金元素Co、Cu和Ti对Ni-Mn-Ga合金晶体结构和性能的影响109

5.1引言109

5.2计算结果与分析110

5.2.1Co含量对Ni-Mn-Ga合金的影响110

5.2.2Cu含量对Ni-Mn-Ga合金的影响119

5.2.3Ti含量对Ni-Mn-Ga合金的影响124

附录材料的量子理论基础132

参考文献140

铁磁形状记忆合金具有优良的物理特性和巨大的开发潜力。本书将简要介绍铁磁形状记忆合金的国内外研究现状，着重就铁磁形状记忆合金的成分设计和性能优化的*性原理计算方面的工作做系统阐释。

本书由五部分组成，分别介绍了铁磁形状记忆合金的发展历程与优良性能；化学计量比的Ni2XY(X=Mn,Fe,Co;Y=Ga,In)合金的基本物理特性；非化学计量比Ni-X-Y合金中缺陷对马氏体相变和磁性能的影响；奥氏体母相、5M、7M和NM马氏体各相的稳定性和相关磁性能；Ni-Mn-Ga三元合金中添加不同的第四组元对结构与性能的影响。

本书可作为材料相关领域技术人员的参考书，也可作为高等院校材料科学与工程、功能材料、材料物理等专业的研究生和高年级本科生教材。

白静，东北大学秦皇岛分校河北省电介质与电解质功能材料实验室，副教授，副主任，作者长年从事铁磁形状记忆合金的成分设计和性能优化的研究。目前在此研究领域中积累了较丰富的研究基础。作者于2015年入选河北省“三三三人才工程”第三层次。在科研方面，作者作为项目负责人主持国家自然基金面上项目1项；国家自然科学基金青年基金1项；河北省自然基金项目1项；中央高校基本业务费——新世纪优 秀人才培育项目1项。作为主要参加人，参与多项国家自然科学基金国际合作与交流项目、国家自然科学基金重点项目以及中法合作等项目。作者发表SCI、EI检索的高水平学术论文30余篇，此外，还担任了多个国际SCI期刊的审稿人。