题目：In掺杂Ni-Mn-Ga合金的相变及磁热效应研究

   室温磁制冷技术以其高效、环保、静音等优点，有望取代传统气体压缩制冷技术，在日常生活、生物医疗等领域有广阔应用前景。具有磁热效应的磁性材料是磁制冷技术的核心之一。某些磁性材料在“磁-结构”耦合相变附近展现出大磁热效应。其中，Heusler型Ni-Mn-Ga合金相结构简单、制备容易、无毒性、价格低，是近期磁热材料领域新的研究热点。Ni-Mn-Ga合金具有独特的“铁磁马氏体-顺磁奥氏体”耦合相变。然而，其耦合相变温度高于室温，难以应用于室温磁制冷。如何将其耦合相变温度调整至室温是近期国际关注热点问题之一。此前，人们先后掺杂了Fe、Co、Cu、Ti和稀土元素等，但效果均不明显。本文通过分析Ni-Mn-Ga合金的相结构和铁磁交换作用特征，提出采用具有相同价电子数的In原子部分取代Ga原子，在保持合金磁性的情况下，通过稳定顺磁奥氏体相，将耦合相变调整至室温。基于此，本文设计并制备了Ni-Mn（Ga，In）合金，系统研究了该合金的微观组织结构、相变行为及磁热效应。

   确定了Ni57Mn18Ga25-xInx（x=0~10）合金的相结构、相变温度和磁性能，建立了反映相变温度与成分之间关系的相图，在室温获得了“铁磁马氏体-顺磁奥氏体”耦合相变。随In含量增加，Ni57Mn18Ga25-xInx（x=0~10）合金的室温相组成从自协作马氏体逐步演变为奥氏体，马氏体相变温度显著降低。以马氏体相变开始温度Ms为例，一个In原子取代一个Ga原子，Ms平均降低幅度约为54.5K。In取代Ga对合金的磁性转变温度影响很小，其中奥氏体居里温度TCA略微降低，马氏体居里温度和马氏体饱和磁矩TCM几乎不变。基于上述分析，建立了Ni57Mn18Ga25-xInx（x=0~10）合金的相图，发现在In含量从2.8~4.0at%的成分范围内，都存在从铁磁马氏体到顺磁奥氏体的“磁-结构”耦合相变。从278K到344K的温度范围内，这一耦合相变温度连续可调。尤其是在室温获得了这种耦合相变。

   预测了不同Ni含量Ni55Mn15Ga25-xInx合金的相图，发现通过调整Ni和In元素的比例，可以在很宽的成分范围和温度范围内获得“铁磁马氏体-顺磁奥氏体”耦合相变。预测基于文献中Ni取代Mn、以及本文上述In取代Ga对Ni-Mn-Ga合金马氏体相变温度TM与奥氏体居里温度TCA、马氏体居里温度TCM的影响规律。通过预测，发现Ni55Mn15Ga25-xInx、Ni56Mn14Ga25-xInx和Ni58Mn12Ga25-xInx合金的“磁-结构”耦合相变的温度区间分别为300K~330K，289K~366K和267K~322K。进而，综合绘制了Ni50+zMn20-zGa25-xInx合金的“磁-结构”耦合相变温度区间图。结果表明，Ni50+zMn20-zGa25-xInx合金在很宽的成分范围和覆盖室温的宽温度区间内可以发生“磁-结构”耦合相变。

   通过Ni57Mn18Ga21.6In3.4和Ni57Mn18Ga21In4合金的“铁磁马氏体-顺磁奥氏体”耦合相变，获得了室温大磁热效应，包括高磁熵变（ ）和大绝热温变（ ），并从相变热力学的角度揭示了升温和降温过程中“磁-结构”耦合相变滞后损耗和有效制冷能力差别显著的原因。Ni57Mn18Ga21.6In3.4合金在室温发生完全耦合的“磁-结构”相变，而Ni57Mn18Ga21In4合金在室温只发生部分耦合的“磁-结构”相变。二者均在耦合相变附近出现等温磁熵变峰 ，在5T磁场下，最大等温磁熵变 分别为8.35J/kgK和4.65J/kgK。Ni57Mn18Ga21.6In3.4合金在1T磁场下的绝热温变峰值为 1K。进一步研究发现，Ni57Mn18Ga21.6In3.4合金在升温和降温过程中的磁热效应（最大等温磁熵变 、制冷能力RC、平均损耗 、有效制冷能力RCeff）差别显著。在5T磁场下，升温测过程中的最大等温磁熵变 为9.91J/kgK，制冷能力RC为108.57J/kg，平均损耗 为1.7J/kg，有效制冷能力RCeff为106.87J/kg。热力学分析表明，降温过程中观察到的滞后来源于磁场诱发马氏体相变。