马氏体相变材料因磁共结构耦合而具有多种磁响应性能，如霍尔效应、磁电阻、磁致伸缩和磁热效应，因而可用于传感器、磁性作动器、磁制冷等。典型马氏体相变材料MM¢X化合物已经被广泛研究，通过元素替代可使MM¢X化合物实现顺磁六角相−铁磁正交相的磁共结构转变，从而表现出大磁熵变，表明其是一种极具潜力的磁制冷材料。另外，MM¢X化合物的结构转变会伴随着巨大的晶格负膨胀，因此MM¢X化合物也被研究用作负热膨胀材料。然而，MM¢X化合物的本征脆性和巨大的晶格膨胀会使材料自发破碎成粉末，差的机械性能会严重阻碍其实际应用于磁制冷材料和负热膨胀材料。
北京科技大学的张虎课题组使用低熔点金属In作为粘结剂，使用热压的方法制备了金属In粘结Mn0.6Fe0.4NiGe0.5Si0.5粉末的MM¢X/In复合材料。该方法利用金属In的高流动性以及高热导率，使MM¢X/In复合材料获得密实的结构，从而显著提高材料的机械性能和热导率。相关论文以题为“Low-melting metal bonded MM'X/In composite with largely enhanced mechanical property and anisotropic negative thermal expansion”发表在Acta Materialia。
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.actamat.2022.117830
研究发现，MM¢X/In复合材料呈现出致密的结构，低孔隙率使其获得优异的机械性能，并且热导率可达到15 W/m K，循环稳定性测试表明MM¢X/In复合材料具有可靠的功能稳定性。30 wt.%In含量的MM¢X/In复合材料(In30)会表现出比典型磁热材料金属Gd更优异的磁热性能，因而可作为磁制冷的候选材料。另外，In30会在室温附近的宽温区表现出零热膨胀，而磁取向In30则会表现出各向异性热膨胀，这归因于MM¢X化合物在结构转变过程中各晶轴不同的热膨胀行为。
图1 MM¢X/In复合材料的循环稳定性研究
图2 MM¢X/In复合材料的磁热性能
图3 (a) 磁场取向样品的制备示意图；(b‒d) 磁取向样品的晶体取向研究
图4 磁取向样品的(a, b)磁晶各向异性和(c)各向异性热膨胀
本文制备了一种新型的低熔点金属粘结复合材料，能够克服MM¢X合金的差力学性能问题，并表现出优异的磁热性能，而且可通过磁场取向的方式调控MM¢X的负热膨胀，获得各向异性负热膨胀材料。本研究突出了MM¢X/In复合材料的多功能应用潜力，并为磁制冷材料的设计和负热膨胀的调控提供了一种新的思路。
北京科技大学材料科学与工程学院博士生周贺和中国科学院固体物理研究所博士生陶坤为该论文的共同第一作者，张虎为通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金、青年教师国际交流成长计划和中央高校基本科研业务费的资助。
*感谢论文作者团队对本文的大力支持，本文来自微信公众号“材料科学与工程”。
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