功能材料课件：第四章 形状记忆材料二

1、第四章 形状记忆材料（二）磁驱动记忆合金与形状记忆陶瓷主要内容1、概述2、Ni2MnGa磁驱动记忆合金3、Ni2FeGa磁驱动记忆合金4、形状记忆陶瓷1、概述H001H001H=10KOeT=283K(A) +50ppm -120ppmT=265K(M) +600ppm -1300ppmK.Ullakko and R.C.OHandley, Appl. Phys. Lett., (69) 1996: 1966NiMnGa单晶样品磁场驱动形状记忆合金发现概述磁驱动材料的背景磁力元件典型材料磁致伸缩：TbDyFe磁驱动记忆合金： Ni2MnGa磁致伸缩材料 磁场诱发磁畴转动TbDyFe， 10-3

2、，磁场驱动形状记忆合金1、磁场诱发马氏体孪晶再取向； Ni2MnGa 10-22、磁场诱发马氏体相变磁场驱动形状记忆合金磁场诱发应变机制磁致伸缩材料磁驱动记忆合金磁场驱动形状记忆合金磁场诱发应变机制磁场作用下马氏体铁磁形状记忆合金磁致应变示意图R.C.OHandley, et al, J.Appl.Phys.,(83) 2000:4712合金的磁致应变机制SMA Ferromagnet磁驱动形状记忆合金特征1、具有可逆的热弹性马氏体相变2、马氏体相同时为铁磁相，并具高饱和磁化强度（Ms）最好高于室温的马氏体相变温度（TM），更高的居里温度（Tc）Fe基：FeNiCoTi，Fe3Pt，Fe3Pd

3、Ni基：Ni2MnGa，Ni2FeGaCo基：CoNi，Co-Ni-Al，Co2NiGa磁驱动形状记忆合金种类优点：高响应频率（1kHz）大输出应变10%较低的控制磁场相变温度可调性强（-504000C）缺点：多晶脆性 强度低/输出应力小磁驱动形状记忆合金特点磁场驱动NiMnGa合金器件Ni52Mn23Ga25马氏体状态下的磁致应变，2700ppm （2T，303K）合金磁驱动应变的进展W.H.Wang, G.H.Wu, et al., Appl.Phys. Lett., (77) 2000: 3245 具有5M结构马氏体的Ni49.8Mn28.5Ga21.7单晶的磁驱动应变可达6%。S. J

4、. Murray et al., Appl.Phys. Lett., (77) 2000: 886合金磁驱动应变的进展合金磁驱动应变的进展具有7M结构马氏体的Ni48.8Mn29.7Ga21.5合金单晶的应力应变曲线和高达9.5%的磁驱动应变。A. Sozinov et al., Appl.Phys. Lett., (80) 2002: 8746 2、 Ni2MnGa合金合金成分对晶体结构和相变行为的影响合金显微组织形貌合金成分对磁性能的影响饱和磁化强度MS和磁晶各向异性系数K1NiMnGa合金晶体生长及性能2、 Ni2MnGa合金研制的实例Ni2MnGa合金研制研究内容和方法微观组织和晶体结

5、构：X射线衍射、金相显微镜、透射电镜（TEM）相变行为：示差扫描量热分析（DSC）、低场交流磁化率；3. 磁性能：振动样品磁强计（VSM）研究内容方法： 磁致应变：磁场应变测量仪。 Group A(at%) Group B (at%) Group C (at%)Ni50Mn25Ga25(A0)Ni51Mn24Ga25 (A1)Ni52Mn23Ga25(A2)Ni53Mn22Ga25 (A3)Ni54Mn21Ga25(A4)Ni55Mn20Ga25(A5)Ni52Mn25Ga23(B2)Ni53Mn25Ga22(B3)Ni54Mn25Ga21(B4)Ni55Mn25Ga20(B5)Ni52Mn2

6、4Ga24(C2)Ni53Mn23.5Ga23.5(C3)Ni54Mn23Ga23(C4)Ni55Mn22.5Ga22.5(C5)合金成分A:Ni50+xMn25-xGa25 (x=0,1,2,3,4,5) B: Ni50+yMn25Ga25-y (y=2,3,4,5) C: Ni50+zMn25-0.5zGa25-0.5z (z=2,3,4,5)合金成分对晶体结构和相变行为的影响 合金的X射线衍射图合金成分对晶体结构的影响 Ni50+xMn25-xGa25 (x=0,1,2,3,4,5)NiMnGa合金室温下奥氏体相和马氏体相的X射线衍射图 合金成分对晶体结构和相变行为的影响 高温奥氏体低温

7、马氏体立方 L21 结构Heusler合金复杂的四方结构 冷却加热Ni2MnGa合金的晶体结构室温下NiMnGa合金的晶体结构、点阵常数、晶胞体积和电子浓度合金成分对晶体结构的影响 A3样品的交流磁化率曲线 C2样品的DSC曲线 合金的相变行为的影响 C2、C4和C5样品磁场作用下的DSC和TG曲线 磁性转变温度三组样品相变温度与成分变化之间的关系曲线 合金成分对相变行为的影响 ABC三组合金相变温度（单位：） 合金成分对晶体结构和相变行为的影响 以Ni取代Mn时，相变温度提高250C/atom；Ni取代Ga时， 850C/atom；Ni同时取代Mn和Ga时， 600C/atom。合金在的相变

8、点可提高至3000C。尺寸因子（V）和电子浓度（e/a）是影响NiMnGa合金相变温度的主要因素。 合金成分对晶体结构和相变行为的影响 NiMnGa合金显微组织与形貌奥氏体、马氏体铸态样品显微组织同一晶粒内不同取向的马氏体变体NiMnGa合金显微组织与形貌室温下马氏体透射电镜明场像NiMnGa合金显微组织与形貌合金成分对NiMnGa磁性能的影响NiMnGa合金的内禀磁性能 饱和磁化强度 磁晶各向异性 居里温度（磁性转变温度） 磁性转变与相转变共同发生现象NiMnGa合金多晶的磁致应变三组合金室温下磁化曲线 饱和磁化强度MS和磁晶各向异性系数K1三组合金磁化强度MS和磁晶各向异性系数K1饱和磁化

9、强度MS和磁晶各向异性系数K1A组样品磁场增强相变应变曲线 多晶样品的相变应变NiMnGa合金晶体生长及性能 室温下分别处于马氏体和奥氏体两种状态合金的晶体生长过程，以制备出较大尺寸的NiMnGa合金单晶样品。 奥氏体合金成分为： Ni52.5Mn22Ga25.5 氏体合金成分选择具有较高的饱和磁化强度的B3、C3、C4三种合金。磁致伸缩材料组织结构与特性取向单晶在低磁场下的性能大幅提高垂直悬浮区域熔化法:扁平线圈加热，线圈或样品以一定速度移动。可加外套管。可利用籽晶。NiMnGa合金晶体生长 制备方法Ni52.5Mn22Ga25.5奥氏体合金的晶体生长及性能 Ni52.5Mn22Ga25.5

10、 合金X射线衍射图 Ni52.5Mn22Ga25.5 合金交流磁化率曲线 Ni52.5Mn22Ga25.5合金带套管定向凝固纵向截面晶粒变化（a）晶粒变化过程 （b）晶粒的竞争生长过程 Ni52.5Mn22Ga25.5奥氏体合金的晶体生长及性能 Ni52.5Mn22Ga25.5合金不带套管定向凝固试样X射线衍射图 Ni52.5Mn22Ga25.5奥氏体合金的晶体生长及性能 距样品底部距离Ni52.5Mn22Ga25.5合金单晶磁场增强相变应变 Ni52.5Mn22Ga25.5奥氏体合金的晶体生长及性能 Ni52.5Mn22Ga25.5合金单晶236K时的磁致应变 Ni52.5Mn22Ga25.

11、5奥氏体合金的晶体生长及性能 3、Ni2FeGa 合金合金体系的选择： 根据Ni2MnGa合金的成分和结构特点，构造新的铁磁形状记忆合金体系。如： Ni2FeGa, Co2NiGa3、Ni2FeGa 合金Ni-Ga、Fe-Ga相图的启示两种合金都有B2结构三元NiFeGa合金也可能是B2或L21结构NiFeGa合金微观组织Ni57Fe18Ga25 合金铸态（左）及1150oC热处理后（右）的微观组织照片50m50mM相+相50m50mNi58Fe17Ga25 合金铸态（左）及1150oC固溶热处理后（右）的微观组织照片NiFeGa合金微观组织相消失室温下Ni58合金X射线衍射图谱四方马氏体面心

12、立方相NiFeGa合金X射线衍射结果Ni50+XFe25-XGa25合金的DSC曲线（左, dash line Ni56, solid line Ni57 and dot line Ni58）；TG曲线（右）Ni50+XFe25-XGa25（x=3,6,7,8,10）合金相变Ni57合金（粉末样品，1473K15min热处理+水淬）在不同温度下的X射线衍射图NiFeGa合金X射线衍射结果Ni50+XFe25-XGa25合金的马氏体相变温度及居里温度TCNi50+XFe25-XGa25合金相变铸态（a）及热处理后（1073K60h/水淬）（b）Ni57合金的磁滞回线，小图是曲线b的放大图，显示很

13、小的滞后和矫顽力。NiFeGa合金的磁化特性热处理后（1073K60h/水淬）Ni50 xFe25-xGa25合金的磁滞回线 NiFeGa合金的磁化特性Ni57Fe18Ga25 合金的相变应变曲线NiFeGa合金的相变应变NiFeGa合金的磁致应变在Ni54.2Fe19.3Ga26.5单晶单变体合金中获得了沿磁场方向0.02%的磁致应变H. Morito, A. Fujita, APPLIED PHYSICS LETTERS 83(2003)p.49934. 形状记忆陶瓷形状记忆陶瓷1977年发现变形云母玻璃形状回复现象：粘弹性机制1975年发现ZrO2基陶瓷应力诱发马氏体相变；液相(L)立方相（c）