在固態(tài)制冷領(lǐng)域，彈熱制冷技術(shù)具有驅(qū)動(dòng)方式多樣化、絕熱溫變值較大和工作溫區(qū)易拓寬等綜合優(yōu)勢。變磁NiMn基Heusler形狀記憶合金具備臨界應(yīng)力低、滯后小等性能，并包含磁彈耦合的特性，可通過以適當(dāng)次序同時(shí)或分步施加應(yīng)力和磁場來增強(qiáng)彈熱性能。但是這類金屬間化合物的本征脆性是制約固態(tài)制冷器件發(fā)展的主要瓶頸。

在以往的研究中，一般通過元素?fù)诫s、微觀結(jié)構(gòu)優(yōu)化和織構(gòu)調(diào)控來解決合金的脆性問題。近年來，我國研究者發(fā)現(xiàn)的一種新型的全過渡族Heusler磁性合金NiMnTi，除了擁有傳統(tǒng)Heusler形狀記憶合金一樣的優(yōu)點(diǎn)外，還具有良好的力學(xué)性能，其韌性和抗壓強(qiáng)度是傳統(tǒng)Ni-Mn基合金的數(shù)倍。在早期研究中，中國科學(xué)院磁性材料與器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室報(bào)道了Ni(Co)MnTi合金中具有大的彈熱可逆絕熱溫變（Applied Physics Letters 2019, 114, 101903），但是臨界應(yīng)力和滯后較大的問題還有待解決。

近期，實(shí)驗(yàn)室魏志陽、沈毅等人通過定向凝固的方法制備了具有〈001〉擇優(yōu)取向的Ni35.5Co14.5Mn35Ti15全過渡族Heusler合金，并研究了其凝固織構(gòu)與彈熱性能的關(guān)聯(lián)機(jī)制。通過電子背散射衍射發(fā)現(xiàn)該合金具有從奧氏體〈001〉取向到5層調(diào)制馬氏體〈105〉取向的晶體學(xué)遺傳關(guān)系。利用透射電子顯微鏡觀察到多重調(diào)制的馬氏體，源于該合金弱的d-d共價(jià)雜化。此外，還引入原位高分辨數(shù)字圖像關(guān)聯(lián)技術(shù)（DIC）以監(jiān)測應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變?nèi)^程中的二維應(yīng)變場，發(fā)現(xiàn)該取向合金在超彈性變形過程中相鄰晶粒的變形具有良好的一致性與協(xié)調(diào)性。這就從晶體結(jié)構(gòu)與組織結(jié)構(gòu)兩方面解釋了該合金臨界應(yīng)力低和應(yīng)力滯后小的根源。紅外熱成像技術(shù)與DIC技術(shù)相結(jié)合發(fā)現(xiàn)，絕熱壓縮循環(huán)過程中樣品內(nèi)部相變不同步加劇所產(chǎn)生的局部應(yīng)變不均勻會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力應(yīng)變曲線變陡峭、暫時(shí)殘余應(yīng)變和滯后增大等現(xiàn)象的產(chǎn)生。

該合金在低的臨界應(yīng)力38MPa和小的滯后54MPa下就實(shí)現(xiàn)了11.5K的絕熱溫變。其重要的彈熱效應(yīng)衡量指標(biāo)——單位臨界應(yīng)力下的絕熱溫變值達(dá)到了0.31K/MPa，超過了以往報(bào)道的典型一級相變彈熱材料。本工作對深入理解全過渡族Heusler變磁形狀記憶合金的馬氏體轉(zhuǎn)變行為和促進(jìn)高性能彈熱材料的設(shè)計(jì)提供了重要指導(dǎo)意義。研究結(jié)果發(fā)表在Acta Materialia（2020, 188, 677-685）上，得到了中科院國際合作項(xiàng)目（174433KYSB20180040）、國家自然科學(xué)基金（51801225、51771218、51531008）的支持。

圖（a）〈001〉擇優(yōu)取向的Ni35.5Co14.5Mn35Ti15合金的高分辨TEM圖像；（b）〈001〉取向Ni(Co)MnTi樣品的等溫應(yīng)力應(yīng)變曲線，插圖為樣品壓縮方向的反極圖；（c）最大應(yīng)變加載時(shí)的紅外照片和DIC應(yīng)變云圖；（d）室溫附近典型一級相變彈熱材料的比絕熱溫變（|△Tad/σcr|和|△Tad/εtr|）對比圖