Resumen de Comportament vibracional i magnètic d'aliatges funcionals tipus heusler
-Los materiales funcionales son materiales que manifiestan una respuesta importante de alguna de sus propiedades (mecánica, eléctrica o magnética) cuando se varía un parámetro externo, como por ejemplo la temperatura, el esfuerzo aplicado, el campo eléctrico o el campo magnético. De aquí proviene el calificativo de funcional, dado que estos materiales son capaces de realizar una cierta función cuando se modifica una variable externa. En la mayoría de casos, la fuerte respuesta que ofrecen se debe a la proximidad del material a una transición de fase, como por ejemplo una transición metal-aislante, una transición ferromagnética o una transición estructural.
En esta tesis hemos realizado un estudio experimental de las propiedades estructurales y magnéticas, así como de su relación mutua, en aleaciones metálicas de tipo Heusler basadas en Ni-Mn. Los materiales que pertenecen a esta familia de aleaciones se caracterizan por la fuerte interrelación que existe entre su estructura cristalina y las propiedades magnéticas. Esta circunstancia provoca que dichas aleaciones presenten propiedades muy atractivas desde el punto de vista de las aplicaciones (memoria de forma convencional y magnética, efecto magnetocalórico, magnetorresistencia, etc.) y convierte estos compuestos en materiales funcionales.
El trabajo que hemos llevado a cabo se puede dividir en dos partes bien diferenciadas. Por un lado, hemos estudiado la dinámica de red (el comportamiento vibracional) de monocristales de Ni-Mn-Al. Por otro lado, hemos investigado las propiedades estructurales y magnéticas de nuevas aleaciones con memoria de forma magnética: Ni-Mn-In, Ni-Mn-Sn- y Ni-Mn-Sb. A continuación, desglosaremos los principales resultados obtenidos.
Dinámica de red del Ni-Mn-Al:
Con tal de estudiar la dinámica de red de la aleación con memoria de forma magnética Ni-Mn-Al, hemos realizado medidas de dispersión de fonones y de ultrasonidos en una aleación monocristalina de composición Ni54Mn23Al23, las cuáles nos han permitido determinar la dinámica de red de dicho material en todo el rango de vectores de onda pertenecientes a la primera zona de Brillouin y en un amplio rango de temperaturas. En este sentido, escogimos una composición que no exhibiese una transformación martensítica y que, por tanto, nos permitiese estudiar la dinámica de red de la fase cúbica hasta muy bajas temperaturas. Fruto de nuestras investigaciones hemos sido capaces de extraer las siguientes conclusiones:
- La aleación presenta una serie de efectos pretransicionales como por ejemplo el valor bajo de las energías de la rama de fonones transversales TA2 (dirección de propagación [110] i polarización [1-10], la presencia de un fonón de energía anómalamente baja (fonón blando) en la misma rama para unv Alor de vector de onda de Epsilon subíndice cero= 1/3 y el valor bajo de la constante elástica de cizalla C', la cuál mide la resistencia a distorsiones homogéneas de planos {110} según direcciones <1-10>. Estos hechos ponen de manifiesto la inestabilidad intrínseca de la fase cúbica para distorsiones de este tipo. Asimismo, también hemos determinado la presencia de satélites precursores estructurales por medio de medidas de la dependencia de las ramas de fonones con la temperatura nos han permitido observar la disminución de la energía asociada al fonón anómalo (su ablandamiento) a medida que se disminuye la temperatura. El grado de ablandamiento encontrado es similar al de la aleación Ni-AI pero considerablemente menor al de la aleación prototípica con memoria de forma magnética Ni-Mn-Ga. Asimismo, medidas de la evolución con la temperatura de las constantes elásticas han revelado otro efecto premonitorio de la transición martensítica, el ablandamiento de la constante elástica de cizalla C' a medida que se disminuye la temperatura.
- Hemos observado la presencia de un importante efecto magnetoelástico en dicha aleación. Por un lado, medidas en función de la temperatura de la intensidad de los satélites precursores sugieren la existencia de un acoplamiento de los grados de libertad estructurales y magnéticos a nivel microscópico. Por otro lado, hemos observado una desviación respecto el comportamiento de Debye de las constantes elásticas cuando el sólido se ordena magnéticamente. El valor de las constantes afectadas exhibe un ablandamiento respecto el comportamiento del sólido de Debye, fruto de un acoplamiento entre magnetismo y estructura a nivel macroscópico. Finalmente, medidas de las constantes elásticas bajo campo magnético aplicado nos han permitido confirmar la presencia de un acoplamiento magnetoelástico anisótropo. Dicho acoplamiento satura a campos magnéticos aplicados de 5 kOe para todos los modos y está asociado con las no-linealidades exhibidas por la imantación en la región de campos pequeños.
Propiedades magnetoestructurales de aleaciones Ni-Mn-Z (Z=ln, Sn y Sb):
Además del estudio de la dinámica de red de la aleación Ni-Mn-AI, durante la realización de la tesis doctoral hemos estudiado nuevas aleaciones basadas en Ni-Mn pertenecientes a la familia de aleaciones con memoria de forma magnética. En particular, nos hemos concentrado en el estudio sistemático de las propiedades magnéticas y estructurales de las aleaciones Ni-Mn-Z, siendo Z=ln, Sn y Sb. Gracias al amplio conjunto de técnicas experimentales utilizadas - calorimetría diferencial de flujo (DSC), calorimetría modulada (MDSC), difracción de rayos x, susceptibilidad ac, medidas de imantación... - hemos podido caracterizar en detalle los diagramas de fases de las aleaciones citadas, según la línea de composición Ni50Mn50-xZx 0 ¿ x ¿ 25. Así, hemos podido constatar la existencia de compuestos ferromagnéticos que transforman estructuralmente cerca de temperatura ambiente, condición indispensable para obtener memoria de forma magnética.
El estudio de las propiedades magnéticas ha revelado una de las principales diferencias entre las aleaciones Ni-Mn-Z estudiadas y el material con memoria de forma magnética prototípico Ni-Mn-Ga. En efecto, mientras que para las aleaciones con In, Sn y Sb la imantación de saturación de la fase martensita es menor que la de la fase austenita, en el Ni-Mn-Ga se da la situación contraria, es decir, la imantación de saturación de la fase martensita es mayor que la de la fase cúbica. Este hecho se debe a la existencia de interacciones antiferromagnéticas en los compuestos sin Ga entre los átomos de Mn en exceso y tiene consecuencias muy interesantes sobre las propiedades de estos compuestos. Concretamente, la disminución de la imantación a través de la transformación estructural provoca un desplazamiento de las temperaturas de transición hacia valores menores cuando se aplica un campo magnético. De hecho, el gran corrimiento de las temperaturas de transición observado en la aleación Ni50Mn34ln16 permite inducir la transformación martensítica (inversa) mediante la aplicación de un campo magnético. Además, el cambio de volumen que se produce durante dicha transformación ha llevado a la observación de la superelasticidad magnética: magnetodeformaciones reversibles ocasionadas por la transición estructural inducida por campo.
Por último, hemos mostrado la existencia de un efecto magnetocalórico inverso de magnitud importante en las aleaciones de Ni-Mn-Sn y Ni-Mn-ln (y Ni-Mn-Sb). Dicho efecto se caracteriza por comportarse de manera opuesta al efecto magnetocalórico convencional: en este caso la aplicación de un campo magnético en condiciones isotermas produce un aumento de la entropía del sistema o, equivalentemente, produce una disminución de la temperatura del material cuando el campo se aplica en condiciones adiabáticas. El origen de dicho efecto inverso se halla en la posibilidad de inducir la transformación estructural inversa (de martensita a austenita) cuando se aplica un campo magnético. Cabe destacar que con objeto de estudiar detalladamente el efecto magnetocalórico presente en estas aleaciones hemos realizado medidas - tanto directas como indirectas - de las dos magnitudes que caracterizan el efecto magnetocalórico: el cambio de entropía en condiciones isotermas y el cambio de temperatura en condiciones adiabáticas cuando se aplica un campo magnético.
En términos generales, se puede afirmar que esta tesis pone de manifiesto la importancia del acoplamiento entre las propiedades magnéticas y estructurales en los sólidos, contribuye a su comprensión y evidencia el uso potencial de las aplicaciones tecnológicas de dicho acoplamiento.
