Síntesi i caracterització d'aliatges amb memòria magnètica de forma

Abstract

Els aliatges magnètics amb memòria de forma es caracteritzen per presentar tant la transformació estructural austenita – martensita com la magnètica (ferromagnetisme – paramagnetisme). El conjunt de propietats els fa candidats a ser emprats en aplicacions com a sensors, actuadors o en sistemes de refrigeració magnètica. Entre els aliatges tipus Heusler que presenten aquest comportament el sistema més estudiat és el Ni-Mn-Ga. Nogensmenys, els darrers anys s’ha desenvolupat l’interès en aliatges sense gal•li, com ara els del sistemes Ni-Mn-Sn i Ni-Mn-In.

A la present tesi s’han produït i caracteritzat aliatges d’ambdós sistemes amb diverses especificitats: a) l’element majoritari és el manganès (a la bibliografia tradicionalment ho és el níquel), b) s’ha treballat amb diferents morfologies (massissa, cinta, pols), c) les cintes han estat sotmeses a tractament tèrmic i d) les composicions dels aliatges amb indi o amb estany són equivalents. Les composicions concretes són: Mn50Ni50-xSnx i Mn50Ni50-xInx(x= 5, 7,5 o 10 % atòmic).

Els capítols 4 i 5 recullen el conjunt de resultats experimentals i la seva anàlisi i discussió. L’estudi s’ha centrat principalment en la transformació estructural que és reversible i amb histèresis. La transformació ha estat detectada amb els aliatges produïts en forma massissa o de cinta. En canvi, la mòlta mecànica indueix canvis estructurals que inhibeixen la transformació en els aliatges amb forma de pols.

Per altra banda, s’ha constatat una disminució de les temperatures de transformació a mesura que augmenta el contingut en estany o indi (coincideix amb una disminució del paràmetre e/a relacionat amb el nombre d’electrons als orbitals externs). En el sistema amb estany aquesta relació és lineal. Aquest tipus de dependència ha de permetre seleccionar la composició adient per a desenvolupar aliatges amb la transformació dins d’un interval de temperatures desitjat.

L’anàlisi calorimètrica ens permet establir que els valors més elevats en les variacions d’entalpia i d’entropia es donen en el massís en els aliatges amb indi i a les cintes sense tractar tèrmicament en els aliatges amb estany. Malgrat la fragilitat de les cintes, a les mostres amb estany ha estat possible realitzar mesures dilatomètriques. Respecte la resposta termomagnètica, aquesta és similar a la dels aliatges dels mateixos sistemes rics en níquel.

Ferromagnetic shape memory alloys are characterized by both the structural austenite to martensite transformation and also by the magnetic transition from ferromagnetism to paramagnetism. The set of properties make them candidates for use in several applications such as sensors, actuators or magnetic refrigeration systems. Among the Heusler type alloys that exhibit this behaviour the most studied system is the Ni-Mn-Ga. However, it has recently been increased the interest for gallium free alloys, such as systems Ni-Mn-Sn and Ni-Mn-In.

In the present thesis have been produced and characterized alloys from both systems with different specificities: a) the majority element is manganese (in the literature it is usually nickel), b) alloys with different morphologies were produced (bulk, ribbon, powder), c) the ribbon shave been annealed and d) the compositions of the alloys with indium or tin are equivalent. The specific compositions are: Mn50Ni50-xSnx and Mn50Ni50-xInx (x= 5, 7.5 or 10 atomic %).

The set of experimental results are reported in chapters 4 and 5, together with its analysis and discussion. The study has been focused mainly on the structural transformation that is reversible and hysteretic. Transformation has been detected in the massive alloys and also in ribbons. However, the mechanical grinding has induced structural changes which inhibit transformation in alloys with powder morphology.

Moreover, it was found a decrease in transformation temperatures with increasing the content of tin or indium (it coincides with a decrease of the parameter/a related to the number of electrons in outer orbits). In the system with tin this relationship is linear. This dependence must allow the selection of the appropriate composition for the production of alloys with transformation within a desired temperature range.

The calorimetric analysis has established that the highest values in the entropy and enthalpy changes occur in bulk alloys (indium samples) and in as quenched ribbons (tin samples). Moreover, despite the fragility of the ribbons dilatometry experiments has been performed in tin alloys. With respect to the thermo magnetic response, it is similar to that of alloys of the same systems but nickel rich.