磁驱动相变材料研究进展

磁驱动相变材料利用外磁控制下铁弹马氏体变体重排或磁诱导一级相变产生的形状记忆效应来捕获应变,兼具铁弹形状记忆与磁致伸缩功效特征。Heusler型Ni-Mn-X(X=Ga或In)系磁驱动相变合金材料具有磁感生应变大、能量密度高、反应速度快等优点,是未来重要磁传感器和磁驱动器研制的关键。主要介绍了国内外Ni-Mn-Ga、Ni-Co-Mn-In、反铁磁体等磁驱动相变材料的研究进展,以及本课题组利用高能X射线衍射和中子散射技术对磁驱动相变材料的原位研究。最后,展望了磁驱动相变合金材料的发展趋势。     

新型铁磁马氏体相变材料研究取得新进展

铁磁马氏体相变材料具有磁驱大应变、磁驱形状记忆、磁驱超弹性、大磁电阻、大磁熵变、相变相关霍尔效应、相变相关交换偏置等丰富的物理行为，成为当今凝聚态物理和材料科学的研究热点之一。在传统马氏体相变中，体系通过非扩散、位移型晶格切变而发生一级马氏体相变，其诱发因素通常为温度和应力。铁磁马氏体相变材料发生相变时，晶体结构和磁结构同时发生变化。如果两磁性相的饱和磁化强度差异（AM）较大，则可使得外磁场成为驱动马氏体相变的一个新物理量。因此，获得大的AM成为磁相变材料领域的一个重要研究目标。     

预加压应力对Ni-Mn-Ga-RE(RE=Tb,Sm)合金磁感生应变的影响

研究了稀土元素Tb和Sm对Ni-Mn-Ga磁性形状记忆合金的马氏体相变及磁致应变的影响,并着重研究了预加压应力对合金磁致应变的影响作用.结果发现,微量的稀土元素Tb和Sm的掺入,降低了合金的马氏体相变温度和居里温度.在施加一定的预加压应力后,其磁致应变值有大幅提高,并且大预加压应力在较低磁场下不能使合金产生最大磁致应变,但能够使合金在高磁场作用下获得大磁致应变,所以施加适当的预加压应力是提高合金磁致应变的有效方法.     

铸态及快淬态Ni50Mn26Ga19Fe5合金的磁致应变

研究了铸态及快淬Ni50Mn26Ga19Fe5掺杂合金的磁致应变性能.结果表明,掺Fe的Ni-Mn-Ga合金也具有典型的热弹性马氏体相变过程和磁转变过程,但铸态合金的结构为7层调制型马氏体(7M),而快淬合金的结构为14层调制型马氏体(14M).铸态合金最大磁致应变可达0.1%,快淬薄带合金最大磁致应变只能达到0.0095%.Ni50Mn26Ga19Fe5铸态合金比快淬合金有更大的磁致应变,说明掺杂元素Fe在Ni-Mn-Ga合金中的作用较为复杂.     

镁合金板材磁脉冲成形研究进展

轻量化是汽车、航空航天、电子电器等工业领域发展的重要目标之一.镁合金作为重要的轻合金材料,在比强度、减振能力、可回收性等方面都有明显优势.磁脉冲成形技术是一种利用磁场力使金属坯料变形的高速率成形技术,可显著提高材料的成形性能.针对AZ31镁合金板材高速率本构关系建立、室温/温热磁脉冲成形、温热与驱动耦合磁脉冲成形和磁脉冲冲击介质温热复合成形进行了阐述.利用分离式霍普金森拉杆获得不同温度与高速率下的应力-应变曲线;通过试验与数值仿真数据,分析室温磁脉冲成形高度与应变分布变化规律,阐述温度与驱动耦合对成形性能的影响,剖析磁脉冲冲击介质温热复合塑性变形特性.结果表明,基于霍普金森拉杆试验可成功建立镁合金板材高速率下的本构关系;在磁脉冲冲击介质温热复合成形中,放电能量增加,成形高度增加,温度为200℃时,成形高度明显高于室温,且二次冲击下高度实现进一步提升.室温磁脉冲成形性能较准静态显著提高,在温度和驱动影响下,成形能力得到提升;采用磁脉冲冲击介质温热复合成形工艺可实现和提高镁合金板材多次冲击塑性变形能力.     

巨磁致伸缩材料及应用研究进展

巨磁致伸缩材料是20世纪70年代发展起来的新型功能材料,具有应变大,能量转换效率高等优点,在功能转换、智能驱动、智能传感等高技术领域有重要应用。简要介绍了磁致伸缩及巨磁致伸缩材料的发展历史,从稀土巨磁致伸缩材料、非稀土巨磁致伸缩材料的合金化研究、制备技术和应用技术等方面综述了我国巨磁致伸缩材料的发展历程,介绍了我国的科研工作者在巨磁致伸缩材料研究领域所取得的重要研究成果,最后对巨磁致伸缩材料发展及应用进行了展望。     

宁波材料所在利用新颖凝固技术制备具有弹热效应的形状记忆合金研究中取得系列进展

<正>近年来,中国科学院宁波材料技术与工程研究所新型磁相变材料团队报道了数十种材料的弹热效应,并系统研究了受控凝固对弹热制冷材料的性能影响。最近,作为一种新型变磁性形状记忆合金Pd-In-Fe单晶理论上能够得到15%的拉伸马氏体相变应变,具有巨大的弹热潜力。团队用直接熔炼成型和退火的方法制备了Pd-In-Fe多晶合金,首次测量了Pd-In-Fe合金的弹热效应,发现     

浇铸态Ni50Mn27Ga23合金中的马氏体相变和磁应变

用感应溶炼并浇铸制备了名义成份为Ni50Mn27Ga23的合金。用交流磁化率测定了合金的相变温度和居里温度，用动态电阻应变仪测试了合金在不同温度及不同磁场强度下的相变应变和磁诱导应变。研充的结果表明：相变应变具有各向异性，外磁场可显著增大相变应变；不同温度下磁场诱导的应变具有不同的特征，温度越低磁诱导应变越大，但使应变饱和所需的磁场也越高，在个别温度点伴随应变突变。磁场的训练不会显著提高磁诱导应变，相反可使可恢复应变减少。     

Ni52 Mn23Ga24.5 Sm0.5合金的马氏体相变和磁致伸缩性能

研究了多晶Ni52 Mn23 Ga24．合金添加微量的稀土元素Sm后，对合金的马氏体相变和磁致伸缩性能的影响。结果发现，微量稀土元素Sm的掺入，降低了合金的马氏体相变温度和居里温度，但并未改变合金的晶体结构，同时由于晶粒细化作用，使合金室温时的磁致应变性能下降。     

Ni2 In型六角MM’X铁磁马氏体相变材料及其研究进展

六角结构MM’X材料是一类潜在的新型磁相变功能材料。基于磁性马氏体相变,它们表现出优异的磁驱马氏体相变效应和磁热效应。介绍了MM’X材料的基本结构、磁性和研究历史,综述了近年来人们对其磁场响应性能的研究进展。阐述了人们在探索和提升代表性体系MnNiGe,MnCoGe的物理性能过程中的思想、方法和结果,重点探讨了人们对磁共结构耦合转变的调控和实现,尤其是顺磁-铁磁型马氏体相变所需要的居里温度窗口的构建。展望了MM’X材料潜在的磁性功能应用和优势。     

Ni–Mn–Ga shape memory alloys development in China

Study on Ni–Mn–Ga ferromagnetic shape memory alloys recently keeps active. Intermartensitic transformation was found. Magnetic field enhanced phase transformation strain was discovered, and achieved up to 4%. Fifteen percent super high strain induced by variant reorientation under stress was obtained in non-modulated martensite. Six percent large magnetic field induced strain was achieved, and the temperature dependence was investigated in 5-layered martensite single-variant Ni–Mn–Ga alloys. Several other systems of magnetic shape memory alloys and high temperature shape memory alloy Ni–Mn–Ga are also reviewed.     

磁性形状记忆合金研究进展

磁性形状记忆合金是上世纪90年代开始出现的一类新型金属功能材料。这类合金兼具热弹性马氏体相变和磁性转变,其形状记忆效应可以由磁场控制。此外这类合金还具有磁阻、磁热等丰富的物理效应,因而一直是近期研究热点。首先介绍了磁性形状记忆合金的3个基本特征,即马氏体相变与磁性转变、磁场驱动孪晶再取向和磁场诱发相变。然后分别对Ni基、Co基和Fe基磁性形状记忆合金的研究现状进行了评述。最后展望了磁性形状记忆合金的发展趋势。     

Ni-Mn基磁性形状记忆合金第二相的形成及其对相变和性能的影响

Ni-Mn基磁性形状记忆合金具有良好的温度场和磁场诱发的形状记忆效应、超弹性、磁热效应、磁阻效应、弹热效应、交换偏置效应等功能特性。作为一种新型多功能材料,有望应用于驱动器、传感器等多个工程领域。本文详细阐述了包含第二相的Ni-Mn基磁性形状记忆合金的研究现状,梳理和总结了第二相的形成及其对马氏体相变、功能特性和力学性能的影响,提出了一些有待解决的问题,如第二相对包括磁性形状记忆效应在内的磁功能特性的影响,并指出未来应着重于研究第二相形成与演化过程的热力学/动力学因素,对第二相进行合理调控,从而优化合金功能特性。     

多孔Ni-Mn-Ga-Co磁性形状记忆合金的制备及磁学特性研究

首先采用球磨法制备了不同粒度的Ni-Mn-Ga-Co合金粉末,然后通过3D打印技术成功制备了泡沫结构的多孔Ni-Mn-Ga-Co磁性形状记忆合金。利用SEM、DSC和XRD等研究了合金的微观组织特征、物相结构、相变特性和相关的磁性行为。结果表明,球磨后经过分筛得到的不同粒径尺寸的合金粉末均为不规则形状。Ni-Mn-Ga-Co合金粉末在室温下为非调制四方马氏体结构,其特征峰十分明显。Ni-Mn-Ga-Co合金的DSC曲线上出现宽峰相变,添加Co元素对马氏体转变温度开始值(Ms)基本没有影响,但其居里温度(Tc)有显著的提高。采用粒径为50~100μm的合金粉末烧结制备的磁性合金,饱和磁化强度最大可达68 Am^2/kg。合金粉末粒径越小,烧结制备的多孔Ni-Mn-Ga-Co磁性形状记忆合金致密度越高。当合金粉末粒径<50μm时,致密度可达90%;当合金粉末粒径为50~100μm时,致密度仅为75%。相较于粒径较小的合金粉末,粒径较大的合金粉末制备的磁性合金磁感生应变能力更高,这是由于泡沫结构能够有效减少内部和外部的约束,从而有利于提高磁场诱导应变。     

Magnetic Domains and Twin Boundary Movement of NiMnGa Magnetic Shape Memory Crystals

Time‐resolved metallographic optical microscopy techniques are used together with magnetic domain imaging to clarify the interaction between magnetic domains and twin boundary (TB) motion in magnetic shape memory NiMnGa single crystals. The magnetic field and stress induced magnetic domain formation is imaged by a magneto‐optical indicator film technique. Reversible TB motion is visualized up to high actuation speeds. From domain observation at adjacent crystal surfaces the fundamental volume magnetic processes during strain and field induced TB motions are derived. For magnetic field induced structural reorientations a concurrent absence of magnetic domain wall motion is found. In contrast, for strain induced reorientations processes, a complete rearrangement of the magnetic domain structure by the moving TB is observed. Dynamic actuation experiments on TB motion reveal non‐linear time effects on TB mobility. In addition to training effects, the maximum field induced strain increases with actuation speed. Both effects can be interpreted as the interaction of moving twin boundaries with local non‐fixed defects. The summarized results provide key information for the understanding of the connection of magnetic and crystallographic domains in magnetic shape memory alloys and for the optimization of devices for future technical applications.     

Martensitic transformation and shape memory properties of Ti-Ta-Sn high temperature shape memory alloys

The effects of Ta and Sn contents on the martensitic transformation temperature, crystal structure and thermal stability of Ti-Ta-Sn alloys are investigated in order to develop novel high temperature shape memory alloys. The martensitic transformation temperature significantly decreases by aging or thermal cycling due to the formation of ω phase in the Ti-Ta binary alloys. The addition of Sn is effective for suppressing the formation of ω phase and improves stability of shape memory effect during thermal cycling. The amount of Sn content necessary for suppressing aging effect increases with decreasing Ta content. High martensitic transformation temperature with good thermal stability can be achieved by adjustment of the Ta and Sn contents. Furthermore, the addition of Sn as a substitute of Ta with keeping the transformation temperature same increases the transformation strain in the Ti-Ta-Sn alloys. A Ti-20Ta-3.5Sn alloy reveals stable shape memory effect with a martensitic transformation start temperature about 440 K and a larger recovery strain when compared with a Ti-Ta binary alloy showing similar martensitic transformation temperature.     

Ti-Ni-Hf高温形状记忆合金的研究进展

Ti-Ni-Hf记忆合金因具有高相变温度、相对低廉的价格和高输出功等诸多优点而成为最具潜力的高温形状记忆合金之一。然而,Ti-Ni-Hf记忆合金基体强度低,变形过程中易优先发生塑性变形,从而使其可实现的可恢复应变远低于理论值。目前改善应变恢复特性的措施主要包括:热机械处理(冷轧+退火)、合金化、时效处理、制备单晶合金等。研究表明,Ti-Ni-Hf合金的应变恢复特性与微观组织结构密切相关。本文主要阐述了Ti-Ni-Hf记忆合金在近年来的最新研究进展,包含微观组织结构的演化规律、马氏体相变行为以及力学性能和应变恢复特性,并基于前期研究成果建立了微观组织结构-马氏体相变-力学与应变恢复特性的关联特性。当前,Ti-Ni-Hf高温形状记忆合金冷、热加工性能差是其广泛应用的瓶颈。因此,Ti-Ni-Hf高温记忆合金的粉末冶金和增材制造可能是未来研究的热点与重点。     

Experimental Study on Characteristics of NiMnGa Magnetically Controlled Shape Memory Alloy

The static and dynamic magnetic controlling characteristics of NiMnGa magnetically controlled shape memory alloy （MSMA） were experimentally studied. The results show that the characteristics of induced strain with respect to the magnetic field are nonlinear with saturation nature, and dependent on the temperature as well as the load applied to the MSMA. The magnetic shape memory effect can be observed only in complete martensite phase at room temperature. The magnetic permeability of MSMA is not constant and reduces with the increment of magnetic field. The relative saturation magnetic permeability of MSMA is about 1.5.