NiMnSb şekil hatırlamalı alaşım sistemine Mo ve Cr katkılarının elektrik ve manyetik özelliklere etkileri
Effect of Mo and Cr substitution on electrical and magnetic propertions of NiMnSb shape memory alloys system
Yazar: MURAT AYYILDIZ
Danışman: PROF. DR. MEHMET ALİ AKSAN ; ÖĞR. GÖR. GÖKHAN KIRAT
İnönü Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering

Özet:
Bu çalışmada, Ni-Mn bazlı Heusler alaşımlarında Ni yerine Mo ve Cr katkılanmış ve üretilen numunelerin yapısal, elektriksel ve manyetik özellikleri incelenmiştir. İlk olarak Ni50-xMoxMn37Sb13 (x=0,1,3,5 ve 7) ve Ni50-yCryMn37Sb13 (y=0,3,5 ve 7) ferromanyetik (FM) şekil hatırlamalı alaşımları  ark-eritme yöntemi ile külçe formda üretildi. İstenilen kristal yapıyı elde edebilmek için numuneler 870 oC' de 24 saat ısıl işleme tabi tutuldu ve ardından buzlu suda soğutuldu.
Kristal yapıyı incelemek için XRD analizleri yapıldı. Ölçümlerin yapıldığı oda sıcaklığında x=0, x=1 ve y=3 numunelerinin Martensit fazda olduğu belirlendi. Buna karşılık diğer numunelerin Austenite fazın varlığını gösteren kübik L21 fazında olduğu belirlenmiştir. EDX analizleri B katkılamasının Mn buharlaşmasını engelleme noktasında başarılı olduğunu göstermektedir. Düşük alanda gerçekleştirilen M-T analizleri, numunelerin pre-martertensitik faz dönüşümü sergilediğini açığa çıkarmıştır. 1 T manyetik alanda ölçülen M-T eğrileri ise malzemelerin Martensitik yapısal faz dönüşümü sergilediğini açığa çıkarmıştır. Faz geçiş sıcaklıkları e/a kuralı ile uyumlu olarak hem Mo hem de Cr miktarının artırılmasıyla azalmıştır. Ayrıca artan katkılama miktarı numunelerin manyetizasyonunu artırdı. Manyetik alansız ve 1 T manyetik alan altında gerçekleştirilen ρ-T eğrileri numunelerin Martensitik dönüşüm sergilediğini teyit etmiştir.  Manyetik alanın uygulanmasıyla faz geçiş sıcaklıkları azalmıştır. Mo ve Cr katkılaması ile numunelerin özdirençleri kademeli olarak azalmıştır. Düşük sıcaklıklarda antiferromanyetik (AFM) etkileşimlerin varlığını araştırmak için alanlı ve alansız soğutulan numunelerin 5 K' de M-H analizleri yapıldı. Elde edilen sonuçlar düşük sıcaklıklarda AFM ve FM özelliklerin birlikte var olduğunu göstermektedir. Burada, M-H eğrilerinin orijinlerinin kayması Exchange Bias etkisiyle ilişkilendirilmiştir. Arrott-Plot eğrileri yardımıyla faz geçişinin türü belirlendi. As-Af aralığına denk gelen sıcaklıklarda özellikle düşük manyetik alan değerlerinde birinci dereceden yapısal geçişten kaynaklanan negatif eğimli eğriler elde edildi. Farklı sıcaklıklarda ölçülen M-H analizlerinden elde edilen veriler ve Maxwell denklemleri kullanılarak manyetik entropi (∆SM) değerleri hesaplandı. Manyetik soğutmanın etkinliğini belirlemek için ∆SM' nin yanı sıra soğutma kapasitesi (RC), histerezis kaybı (HL) ve etkin soğutma kapasitesi (RCeff)  değerleri hesaplandı. Mo katkılı numunelerde en yüksek ∆SM ve RCeff değerleri x=3 numunesinde sırasıyla 2.70 J/kgK ve 19.95 J/kg değerleriyle elde edilmiştir. Cr katkılı numunelerde ise en yüksek ∆SM (4.46 J/kgK) ve RCeff (13.53 J/kg) değerleri y=5 örneğinde elde edilmiştir.

Abstract:
In this study, Mo and Cr replaced Ni in Ni-Mn based Heusler alloys and the structural, electrical and magnetic properties of the produced samples were investigated. Firstly, Ni50-xMoxMn37Sb13 (x=0,1,3,5 ve 7) and Ni50-yCryMn37Sb13 (y=0,3,5 ve 7)  ferromagnetic (FM) shape memory alloys were produced in ingot form by arc-melting method order to obtain the desired crystal structure, the samples were heat treated at 870 oC for 24 hours and then cooled in ice water.
XRD analysis was performed to examine the crystal structure. It was determined that x=0, x=1 and y=3 samples were in Martensite phase at room temperature. On the other hand, it was determined that the other samples were in the cubic L21 phase, which indicates the presence of austenite phase. EDX analysis shows that B doping is successful in preventing Mn evaporation. Low-field M-T analysis revealed that the samples exhibited premartertensitic phase transformation. M-T curves measured at 1 T magnetic field demonstrated that the materials exhibited Martensitic structural phase transformation The phase transition temperatures decreased with increasing the amount of both Mo and Cr in accordance with the e/a rule. In addition, increasing the doping amount increased the magnetization of the samples. The ρ-T curves performed without magnetic field and under 1 T magnetic field confirmed that the samples exhibited Martensitic transformation.  The phase transition temperatures decreased with the application of magnetic field. The resistivity of the samples gradually decreased with Mo and Cr doping. In order to investigate the presence of antiferromagnetic (AFM) interactions at low temperatures, M-H analyzes at 5 K of the cooled samples with and without field were performed. The results obtained show that AFM and FM coexist at low temperatures. Here, the shift of the origin of the M-H curves was attributed to the Exchange Bias effect. Arrott-Plot curves were used to determine the type of phase transition. At temperatures in the As-Af range, especially at low magnetic field values, negatively sloped curves were obtained due to the first-order structural transition. Magnetic entropy (∆SM) values were calculated using Maxwell's equations and data from M-H analyses measured at different temperatures. In order to determine the effectiveness of magnetic cooling, cooling capacity (RC), hysteresis loss (HL) and effective cooling capacity (RCeff) values were calculated as well as ∆SM. For Mo doped samples, the highest ∆SM and RCeff values were obtained in the x=3 sample with 2.70 J/kgK and 19.95 J/kg, respectively. For Cr doped samples, the highest ∆SM (4.46 J/kgK) and RCeff (13.53 J/kg) values were obtained in the y=5 sample.