Динамика фазовых превращений, магнитных и калорических свойств сплавов Гейслера Ni-Co-Mn-Ti в постоянных и переменных магнитных полях: теория и эксперимент

Настоящий проект посвящен одному из наиболее важных направлений развития современного материаловедения – исследованию (мульти)калорических твердотельных материалов. Популярность тематики обусловлена растущей проблемой энергоэффективности. Калорические материалы являются главным элементом в экологически безопасных охлаждающих технологиях нового поколения, работающих на принципах магнито-, эласто-, баро- и электрокалорических эффектов (а также их комбинации – мультикалорическом эффекте). За основу положено свойство материала изменять свою температуру и энтропию под воздействием внешних полей (магнитное поле, одноосное и гидростатическое давление, электрическое поле). Существующие прототипы твердотельного охлаждения еще далеки от массового производства из-за проблем выбора оптимального хладагента. Известные на сегодняшний день функциональные материалы демонстрируют структурный фазовый переход, сопровождающийся гистерезисом. В свою очередь, наличие гистерезиса снижает величину магнитокалорического эффекта (МКЭ) и приводит к деградации материала при циклическом приложении поля из-за развития внутренних напряжений, микротрещин, высокой хрупкости. Для практического применения МКЭ также необходимы знания о поведении свойств материалов в циклических магнитных полях, которые могут значительно отличаться от свойств в стационарном поле или при его однократном воздействии. В качестве эффективных и недорогих калорических материалов могут выступать интерметаллические сплавы Гейслера X2YZ, где X и Y – переходные металлы, а Z – элемент III-V групп. Среди этих соединений известно много составов с большим МКЭ, но они они не лишены проблем, описанных выше. В последние годы внимание ученых направлено на новое семейство сплавов Гейслера, состоящих полностью из переходных металлов (d-d сплавы или “all-d metal”), которые, по данным литературы, менее хрупкие и более пластичные, что обеспечивает их механическую стабильность при динамическом воздействии внешних полей. Новизна проекта заключается в учете динамических эффектов при исследовании структурных, магнитных и теплофизических свойств d-d сплавов Гейслера в постоянных и переменных магнитных полях различной интенсивности (до 8 Тл). В рамках теории функционала плотности будут исследованы свойства основного состояния фаз аустенита и мартенсита, будут определены выгодные атомные и магнитные конфигурации, будет установлена химическая, механическая и динамическая стабильность составов; в рамках подхода модельных гамильтонианов и метода Монте-Карло будет разработана модель для исследования динамики магнитных и структурных переходов, поведения намагниченности и МКЭ в постоянных и переменных магнитных полях; выявлены закономерности и предложены объяснения поведения физических особенностей сплавов, наблюдаемых экспериментально. В рамках экспериментального подхода будут выполнены всесторонние исследования магнитных и магнитокалорических свойств d-d сплавов в стационарных и переменных магнитных полях, будет уделено особое внимание зависимостям МКЭ от частоты и амплитуды осциллирующего поля, установлена взаимосвязь между магнитными, калорическими свойствами и прямым или косвенным влиянием переменного магнитного поля. Актуальность настоящего проекта заключается в том, что изучение d-d сплавов Гейслера находится на начальном этапе. В связи с этим, в научной литературе содержится существенно меньше информации о исследованиях d-d сплавов Гейслера по сравнению с классическими сплавами Гейслера. Более того в литературе отсутствует информация о микроскопических моделях и экспериментальных методиках для исследования магнитных свойств и МКЭ d-d сплавов в стационарных и переменных магнитных полях. Настоящий проект может стать одной из основополагающих работ в понимании природы влияния гибридизации d-орбиталей на механическую стабильность и калорические свойства сплавов при долговременном воздействии циклических магнитных полей различной интенсивности.