（凝聚态物理专业论文）nimnga合金的热力学效应和应用功能研究.pdf

中文摘要 摘要 哈斯勒n i m n g a 合金作为新的智能材料由于其潜在的应用价值近年来倍受人 们关注。其丰富的物理内容主要包括以下几个方面：第一，该材料是铁磁性的金 属间化合物，它的高温母相具有l 2 l 立方结构，而马氏体相通常具有复杂的四方 结构。第二，由于其马氏体相变是热弹性的，因此该材料通常展示出完全双向的 形状记忆效应。第三，在某些成分的合金中，该材料除发生马氏体相变外，还发 生预马氏体相变或中间马氏体相变。本工作系统研究了n i m n g a 单晶的微观结构、 磁性能、不同的相转变形为、形状记忆效应，磁感生应变和磁场下的应变一应变特 性。 在n i m n g a 单晶样品中获得并报道了沿单晶 0 0 1 方向形变达到1 2 的自发双 向形状记忆效应，而马氏体相变的热滞后仅为6k 。发现沿应变测量方向施加1 _ 2t 的外加磁场可以使这种形状记忆的应变增大4 倍，达到4 0 的磁场增强形状记忆 效应；而转换磁场到垂直应变测量方向，样品沿 0 0 1 】方向的形变由收缩变为伸长， 1 2 t 磁场下的伸长量达1 5 。证明了单晶产生大的自发相变应变的原因是内应力 诱导马氏体变体择优取向。根据不同方向磁场干预马氏体相变应变的结果，计算 得出n i 5 2 m n 2 4 g a 2 4 单晶样品中的等效取向内应力大小约为2 4 5m p a 。实验发现 n i m n g a 单晶的磁感生应变对温度非常敏感，在马氏体相变完成温度附近获得的最 大磁感生应变量约为1 2 。另外，从变体择优取向造成的有效弹性和磁畴分布两 个方面，对n i m n g a 单晶样品在 0 0 1 和 0 1 0 1 两个等价的晶体学方向上磁感生应变 特性的差别，包括最大应变值、饱和场、滞后效应和起始磁场数值的参数，进行 了分析和讨论。 在n i 5 32 m n 2 26 g a 2 4 2 单晶中发现了两步完全热弹性的马氏体相变。在自由降温 过程中，获得的中间马氏体相变应变高达一1 o ，远大于一0 1 的马氏体相变应变。 施加一个偏置的磁场，中间马氏体相变应变被压制，马氏体相变应变增大。外加 磁场对应力诱发马氏体相变的特性可以产生很大的影响。有外加磁场的情况下， 在较低的形变温度，诱发马氏体相变所需应力减小，不可逆的应变曲线成为可逆。 实验发现变体重取向所需应力的大小也与外加磁场方向有关。结果显示了n i m n g a 合金作为磁控超弹性元器件的可能性。另外，光学显微观察发现，应力作用下马 氏体变体的重排表现出明显的孤子运动的特征。 在自由样品中第一次观察到预马氏体相变应变。在预相变点，沿 0 1 0 方向施 加大小约为1k o e 的磁场，在晶体母相的 0 0 1 1 方向上获得了高达5 0 5p p m 的磁致 伸缩，该值是相同条件下晶体母相磁致伸缩量的5 倍多。同时，报道了不同方向 麓庚大学博士譬短论文 磁场对预相变应黛干预的结果。实验发现沿单晶的 o l o 方向旋加同样大小的磁场， 不仅预马氏体相变温度下降的熙炔，而且预玛氏体相变成变的改变量避大。根据 软模凝结翡穰念秘缀箨擎鑫生长翡特点，袭爨交祥瑟中鬟察至l 秘羲鞠变应交是晶 体内存在的取向内应力干预软模凝结的结果。而磁场干预预相变应变的机制是磁 场增大的磁弹耦合导致的晶格形变与起源于软模凝结的材料内禀形变的竞争。实 验发瑷预穗变在敲傣懿 o o h 和【o l 翅晶薅学方囱闻导致了骥爱豹各自努鐾圭，遮穗各 向异性也为对材料鹩磁性测鬣辩证实。 成功制备出新趔赝四元铁磁哈斯勒合盒n i 。m n - f e g a 单晶。实验发现该材料 具有较大的自发相交应变j f 秘磁增强的相变应变及磁感生应变。在单晶 n i s 2 m n l 6 a f e s g a 2 36 弹晶孛获褥了形交隽一l 。6 1 夔鑫发双蠢澎获记忆，葵应变在1 2 t 外加磁场下增加到3 3 0 。在避马氏体相黛完成温度施加大小约为0 7 5t 沿 0 0 1 1 方向的脉冲磁场，在该方向获得最大磁感生成变量达一1 0 4 。实验发现该材料的磁 感璧寂变具有提好瓣温度稳定镶，扶2 6 5 k 嬲l0 0 k ，魄秽磁感生应交豹最大减枣 量不越过1 0 。零孝料的这稀幢质使该合金谯工业和军事上有特别的斑用价值。另 外，嶷验也发现谯该材料中磁感生应变量最大的方向也燃i 铸单晶的生长方向。 根据楣界面摩擦理论，推导趣、诗算n i m n g a 系统热动力学参量豹一般表示式。 结合筠氏淬稳交添发分霖在室瀵叛下、室滠辫近、室淦班上豹菲歪配努魄n i 2 m n g a 单晶阻发相交应变和交流磁化率随温度变化的测量结果，计算了不同龄晶样品马 氏体相变过程中界面摩擦所消糕的能量。结果表明相界颥运动消耗的能量仅占相 交潜热豹缀小一部分，瑟且穗变潜热越大，稳爨垂遥袭缒摩擦耗藐越，j 、。在囊谖 查研究的台金中，相界面运动的摩擦耗能和热滞后之间的眈较指出正怒相变过程 中的界面摩擦导致了相变的热滞后。分析表明不同样品玛氏体相变过程的摩擦耗 能和棚变热滞后襻在较大差别灼原因在于撵晶马氏体掇变生成物具肖不同的结 耩， 关键词：马氏体相变，形状记忆效应，磁感艇应变，热力学效应，应力成变特性 i i 葵文擒瑟 a b s t r a c t t h eh e u s l e ra l l o yn i m n g ah a sb e e na t t r a c t i n gi n v e s t i g a t i o na sap o t e n t i a ls m a r t m a t e r i a la n da l s oa san e wf u n c t i o n a lm a t e r i a l n i sa l l o yi s i n t e r e s t i n gf o rs e v e r a l r e a s o n s 鑫sf o l l o w s f i r s t ，i ti saf e r r o m a g n e t i ci n t e r m e t a l l i cc o m p o u n du n d e r g o i n ga m a r t e n s i t i ct r a n s f o r m a t i o nf r o mac u b i cl 2 ts t r u c t u r et oac o m p l e xt e t r a g o n a ls t r u c t u r e 。 s e c o n d ，a s s o c i a t e dw i t ht h e m a r t e u s i t i c t r a n s f o r m a t i o n ，i t e x h i b i t sa t w o w a y s h a p e - m e m o r ye f f e c t t h i r d , d e p e n d i n g o nt h es p e c i f i cc o m p o s i t i o nt h i sm a t e r i a ls h o w s a l s ot h ei n t e r m a r t e n s i t i ct r a n s f o r m a t i o n ，a n d p r e m a r t e n s i t i ct r a n s i t i o n ，e x c e p t t h e m a r t e n s i t i et r a n s f o r m a t i o n n i sw o r ki sas y s t e m i ci n v e s t i g a t i o no nt h em i c r o s t r u c n t r a l d i f f e r e n tp h a s et r a n s f o r m a t i o nb e h a v i o r s ，m a g n e t i cp r o p e r t i e s ，s h a p em e m o r ye f f e c t s ， m a g n e t i c f i e l d - i n d u c e d - s t r a i n sa n ds t r e s s s t r a i nc h a m c t e r i s t i c sf o rt l l en i m n g a a l l o y s 。 as t r e s s f r e ea n dt w o - w a yt h e r m o e l a s t i cs h a p em e m o r y , w i t h1 2 s t r a i nm e a s u r e di n t h e 【0 0 1 】d i r e c t i o na n d 6k t e m p e r a t u r eh y s t e r e s i s ，h a sb e e n o b t a i n e di ns i n g l ec r y s t a lo f n i 5 2 m n z 4 g a 2 4 i np a r t i c u l a r , t h ed e f o r m a t i o n t a i lb ee n h a n c e dm o r et h a nt h r e et i m e s ，u p t o4 ，o ，s h r i n k a g ew i t hab i a sf i e l d1 2t a p p l i e da l o n g t h em e a s u r e m e n t d i r e c t i o n ，o r c h a n g e dt o1 5 e x p a n s i o nb yt h e 1 2ta p p l i e dp e r p e n d i c u l a rt ot h em e a s u r e m e n t d i r e c t i o n i tw a sf o u n dt h a tt h er e s i d u a lo r i e n t e di n t e r n a ls t r e s sc a u s e db yt h ed i r e c t i o n a l s o l i d i f i c a t i o n d u r i n g t h ec r y s t a lg r o w t hp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei na c h i e v i n gt h e r e o r i e n t a t i o no f t h ev a r i a n t s ，a n dr e s u l t i n gi nal a r g et r a i l s f o r m a t i o ns t r a i n b a s e do n t h e e x p e r i m e n t a ld a t ao nt r a n s f o r m a t i o ns t r a i n s w i t ho rw i t h o u tb i a sf i e l d 。t h eo r i e n t e d i n t e r n a ls t r e s si ns i n g l ec r y s t a ln i 5 2 m n 2 4 g a 2 4w a sc a l c u l a t e dt ob ea b o u t2 + 4 5m p a f u r t h e r m o r e ，al a r g em a g n e t i cf i e l d - i n d u c e d * s t r a i n ( m f i s ) o f a b o u t1 2 i so b t a i n e d a t n e a r l y m a r t e n s i t i ct r a n s i t i o nf i n i s h i n gt e m p e r a t u r e i t i sf o u n dt h a tt h em f i si s d e p e n d e n to nt h et e m p e r a t u r e + a c c o r d i n gt o t h ed i f f e r e n c eo fb o t he f f e c t i v ee l a s t i c c o n s t a n t sa n dt h ed i s t r i b u t i n go fm a g n e t i cd o m a i n , t h ed i f f e r e n tc h a r a c t e r i s t i c so f t h e m f i sb e t w e e nt h e 0 0 1 】a n d 【0 1 0 】d i r e c t i o n so f t h ec r y s t a lp a r e n tp h a s ec a u s e db yt h e p r e f e r e n t i a lo r i e n t a t i o no f t h em a r t e n s i t i cv a r i a n t sd u r i n gt h em a r t e n s i t i ct r a n s f o r m a t i o n ， s u c h 曩sm a x i m u ms t r a i nv a l u e s ，s a t u r a t e df i e l d s ，h y s t e r e s i se f f e c ta n di n i t i a lm a g n e t i c f i e l d s ，e ta l , h a v e b e e nd i s c u s s e d a c o m p l e t et h e r m o e l a s t i ct w o s t e pm a r t e n s i t i ct r a n s f o r m a t i o nh a sb e e nf o u n di n s i n g l ec r y s t a l l i n en i 5 32 m n 2 2 6 g a 2 4 2 t h ei n t e r m a r t e n s i t i ct r a n s f o r m a t i o ni nt h i st w o s t e p t r a n s f o r m a t i o np r o v i d e sam u c hl a r g e rs 娩i r lo f a b o u tl 奄。w h i c hi sl a r g e rt h a nt h a to f i i i 重庆大学博士学位论文 t h em a r t e n s i t i ct r a n s f o r m a t i o no fa b o u t0 1 w i t h a b i a s i n gm a g n e t i cf i e l d t h e i n t e r m a r t e n s i t i ct r a n s f o r m a t i o ns t r a i ni si n h i b i t e da n dt h em a r t e n s i t i ct r a n s f o r m a t i o n s t r a i ni se n h a n c e d c o m p r e s s i v es t r e s s s t r a i nc h a r a c t e r i s t i c sc a nb ea f f e c t e dg r e a t l y b ya s t a t i cm a g n e t i cf i e l d a tl o wd e f o r m a t i o nt e m p e r a t u r e ，t h es t r e s sl e v e ln e c e s s a r yf o r s t a r t i n g f i r s td e f o r m a t i o n s t a g ed e c r e a s e sa n dt h e i r r e v e r s i b l et r a n s f o r m a t i o ns t r a i n i n d u c e db yt h es t r e s sb e c o m e sr e v e r s i b l e ，w h e nas t a t i c m a g n e t i cf i e l di sa p p l i e d f u r t h e r , i ti sf o u n dt h a tt h em a g n i t u d eo ft h es t r e s sn e c e s s a r yf o rr e a r r a n g e m e n to f m a r t e n s i t i cv a r i a n t si s d e p e n d e n to nt h ed k e c f i o no f t h eb i a s i n gm a g n e t i cf i e l d t h i s s h o w st h ep o s s i b i l i t yo fu s i n gan i m n g a s i n g l ec r y s t a la sam a g n e t i c a l l yc o n t r o l l e d s u p e r e l a s t i ce l e m e n t i na d d i t i o n ，t h eo p t i c a lm i c r o g r a p h i co b s e r v a t i o nh a sf o u n dt h a t t h et w i nb o u n d a r i e sm o t i o nd u r i n g l o a d i n g a n du n l o a d i n ge x h i b i t saw e l l d e f i n e d c h a r a c t e ro fs o l i t o nm o t i o n t h ep r e m a r t e n s i t i ct r a n s i t i o ns t r a i ni n f r e e s a m p l e so fn i 5 05 m n 2 45 g a 2 ss i n g l e c r y s t a l sw a s f i r s tr e p o r t e d a l a r g em a g n e t o s t r i c t i o nu p t o5 0 5p p mi nt h e 【0 0 1 】d i r e c t i o n o f p a r e n tp h a s ei so b t a i n e di nap u l s em a g n e t i cf i e l do fa b o u t1k o ea p p l i e da l o n gt h e 0 1 0 】d k e c t i o na tp r e m a r t e n s i t i ct r a n s i t i o np o i n t ，w h i c hi sm o r ef i v et i m e sl a r g e rt h a n t h a ti np a r e n t p h a s e i tw a sf o u n d t h a tn o to n l yt h ep r e m a r t e n s i t i ct r a n s i t i o nt e m p e r a t u r e p r o n o u n c e s am o r e r a p i dd e c r e a s e ，b u ta l s ot h ep r e m a r t e n s i t i ct r a n s i t i o ns t r a i ne x h i b i t sa m o r el a r g ec h a n g ef o rf i e l da p p l i e da l o n gt h e 【0 1 0 】d i r e c t i o nt h a n 砸t hf i e l da l o n gt h e 0 0 1 】d i r e c t i o n b a s e do nt h es o f tm o d ec o n d e n s a t i o na n dc h a r a c t e r i s t i co f t h ec r y s t a l g r o w t h ，i ti sr e a s o n a b l e t ob e l i e v et h a tt h es h r i n k i n g p r e t r a n s i t i o ns t r a i na l o n gt h e 【0 0 1 】 d i r e c t i o ni np r e s e n tw o r ki sar e s u l to ft h es o f t m o d ec o n d e n s a t i o ni n t e r v e n e db yt h e r e s i d u a li n t e r n a ls t r e s s t h ee f f e c to fm a g n e t i cf i e l da f f e c t e dp r e m a r t e n s i t i ct r a n s i t i o n s t r a i ni sa t t r i b u t e dt ot h ec o m p e t i t i o nb e t w e e nt h ec r y s t a ll a t t i c e 7 d e f o r m a t i o ni n d u c e d b y t h ee n h a n c i n gm a g n e t o e l a s t i cc o u p l i n ga n dt h ei n t r i n s i cd e f o r m a t i o n o r i g i n a t e df r o m t h e s o f t m o d ec o n d e n s a t i o n w ef o u n dt h a tt h ep r e m a r t e n s i t i ct r a n s i t i o ng e n e r a t e df u r t h e r t h ea n i s o t r o p yb e t w e e nt w oc r y s t a l l o g x a p h i cd k e c f i o n so f 【0 0 1 】a n d 【0 1 0 ，w h i c hi s p r o v e db y t h em a g n e t i z a t i o nm e a s u r e m e n t s i n g l ec r y s t a l so fap s e u d o q u a t e r n a r yh e u s l e ra l l o y , n i 5 2 m n l 64 f e s g a 2 36 ，h a v e b e e ns y n t h e s i z e d i ti sf o u n dt h a ts u c hm a t e r i a l sc a np r o d u c tt h el a r g es p o n t a n e o u sa n d f i e l d e n h a n c e dt r a n s f o r m a t i o ns t r a i na n dt h el a r g em f i s t h es t r a i na c c o m p a n y i n gt h e m a r t e n s i t i ct r a n s f o r m a t i o ni s 一1 6 1 i nz e r of i e l da n dc a r lb ee n h a n c e dt o 一3 3 0 b ya f i e l do f1 2t ，am f i so f1 0 4 h a sb e e ni n d u c e da l o n g 【0 0 1 i nu n s t r e s s e dc r y s t a l s w i t hs a t u r a t e dm a g n e t i cf i e l do fa b o u to 7 5t a p p l i e da l o n gt h es a m ed i r e c t i o na tn e a r 葵文摘要 m a r t e n s i t i ct r a n s i t i o n f i n i s h i n gt e m p e r a t u r e i tw a sf o u n d 也a tt h em f i si s a 赫o s t t e m p e r a t u r ei n d e p e n d e n t , t h e m a x i m u md e c r e a s eo f t h es a t u r a t e dm f i si sl e s st h a n1 0 ， f r o m2 6 5 kt o1 0 0 k t 1 1 i sw e l l - b e h a v e d t e m p e r a t a t r er e s p o n s em a k e s t h i s a l l o y p a r t i c u l a r l y v a l u a b l ef o ri n d u s t r i a la n d m i l i t a r y s n l a r t a c t u a t o r , a n d t r a n s d u c e r f u r t h e r m o r e 。i t 避sf o u n dt h a tt h ed i r e c t i o ni nw h i c ht h em f i sh a st h el a r g e s tv a l u ei s a l w a y st h e 0 0 1 ，n a m e l y t h eg r o 谢l ad i r e c t i o no f t h ec r y s t a l s b a s e do nt h eb o u n d a r yf r i c t i o np h e n o m e n o l o g i c a lt h e o r y , ag e n e r a le q u a t i o no f c a l c u l a t i n g t h et h e r m o d y n a m i c p a r a m e t e r so f n i 2 m n g as y s t e m w a s d e d u c e d a c c o r d i n g t ot h e m e a s u r i n g r e s u l t so f t h ea cm a g n e t i cs u s c e p t i b i l i t yo rs t r a i nd u f f n gt h em a r t e n s i t i c t r a n s f o r m a t i o nf o rt h en o n - s t o i c h i o m e t r i cn i 2 m n g as i n g l e c r y s t a ls a m p l e s w i t h m a r t e n s i t i ct r a n s i t i o n t e m p e r a t u r e a t b e l o w , n e a r , a n d 曲o v er o o mt e m p e r a t u r e r e s p e c t i v e l y , t h ee n e r g yc o n s u m e df o rb o u n d a r yf r i c t i o ni nt h e s es a m p l e sd u r i n gi t s m a r t e n s i t i ct r a n s f o r m a t i o nw e r ec a l c u l a t e dd e p e n d i n go nt h i sg e n e r a le q u a t i o n i tw a s f o u n dt h a tt h ee n e r g yc o n s u m e df o rp h a s eb o u n d a r yf r i c t i o ni so n l yas m a l lp a r to f t h e l a t e n th e a to fm a r t e n s i t i ct r a n s f o r m a t i o n ，a n dt h el a r g e ro ft h el a t e n th e a ta n dt h el e s si s t h ee n e r g yc o n s t t m e do fp h a s eb o u n d a r ym o t i o n 。a m o n gt h ei n v e s t i g a t e da l l o y s ，a c o m p a r i s o no f t h et h e r m a lh y s t e r e s i sa n de n e r g yc o n s u m e dg i v e sd i r e c te v i d e n c et h a t t h et h e r m a lh y s t e r e s i so f m a r t e n s i t i ct r a n s f o r m a t i o no r i g i n a t e sf r o mt h e 衔c t i o no f p h a s e b o u n d a r ym o t i o n f u r t h e r , i ti s f o u n dt h a tt h el a r g ed i f f e r e n c eo fb o t ht h ee n e r g y c o n s u m e df o rb o u n d a r yf r i c t i o na n dt h e r m a lh y s t e r e s i sf o rt h ed i f f e r e n ts a m p l e ss h o u l d b ea t t r i b u t e dt oh a v i n gt h ed i f f e r e n ts t r u c t u r e so f m a r t e n s i t i cp r o d u c e s k e y w o r d s ： m a r t e n s i t i ct r a n s f o r m a t i o 玛s h a p em e m o r ye f f e c t ,m a g n e t i c f i e l d i n d u c e d s t r a i n ，t h e r m o d y n a m i ce f f e c t ，s l a e s s - s t r a i nc h a r a c t e r i s t i c v 1 绪论 1 1 智能材料及其应用 随着现代高新技术的发展，智能材料已成为材料科学领域的一个重要分支。 智能材料的基本特点是具有感知与驱动双重功能，即材料自身能感知环境的变化， 并作出相应的响应。它的研究呈开放和辐射性，涉及的学科包括化学、物理学、 材料学、计算机、海洋工程、航空和医学等领域学科。迄今为止，已研究的智能 材料主要有压电电致伸缩陶瓷( 铌锌酸铅、锆钛酸铅和铌镁酸铅) ；形状记忆材料 ( 形状记忆合金、形状记忆陶瓷和形状记忆聚合物) ；磁致伸缩材料( t e r f e n o l d ) ； 电、磁流变体等。此外，还有通过一定的复合技术将不同性能的材料复合在一起 而形成的智能复合材料，如：耐超高温智能复合材料、埋光纤智能复合材料、记 忆合金增强智能复合材料等【1 。3 1 。如果按照组成智能材料的基材来划分，它包括金 属系智能材料、无机非金属系智能材料和高分子系智能材料三类。其中金属系智 能材料中很重要的一种是形状记忆合金材料( s h a p em e m o r ya l l o y s ，简称s m a ) 1 4 ，是一种兼有感知和驱动功能的新型材料，因而备受世界瞩目。自从1 9 5 1 年美 国r e a d 等人在a u c d 合金中首先发现形状记忆效应( s h a p em e m o r ye f i e c t ，简称 s m e ) 。迄今为止，人们开发出来具有形状记忆效应的合金有1 0 0 多种。按照合金 组成和相变特征可分为三类：t i n i 基、c u 基和f e 基系形状记忆合金。所有这些 形状记忆合金的形状记忆效应，起因于这类材料具有马氏体相变，特别是热弹性 马氏体相变，其记忆效应是通过合金高温母相奥氏体到低温马氏体的相变及逆相 变过程来实现的卜”。而形状记忆效应可分为三种类型：单程形状记忆效应、双程 形状记忆效应和全程形状记忆效应。所谓单程形状记忆效应指在高温奥氏体相将 合金预制成某种形状，在低温马氏体相时将其按需要变形，然后再加热到高温奥 氏体相时合金会恢复到变形以前的形状，进而实现应用目的。而再次冷却时其低 温马氏体相时的形状就不能恢复了。若合金不仅在加热时恢复到原来奥氏体的形 状，而且在冷却时也会恢复到马氏体形状，即通过温度升降自发地、可逆地反复 恢复相变前的形状的现象称为双程形状记忆效应。此外，当加热时恢复奥氏体形 状，冷却时变为形状相同而取向相反的奥氏体形状的现象称为全程形状记忆效应。 它是一种特殊的双程形状记忆效应，只能在富镍的t i n i 合金中出现。目前形状记 忆合金作为一种驱动能力强的功能材料，已广泛应用于航空、航天、机械、能源、 交通、生物医学和日常生活等领域，并已形成蓬勃发展的高新技术产业。然而， 采用的记忆合金虽然可逆应变和恢复力大，但因其马氏体相变是由温度变化驱动 的，提供加热和散热冷却的条件都是不可缺少的。另外在实际应用过程中，与加 重庆大学博士学位论文 热时间相比，散热所要的时间要更长些。因此，为了尽快返回原状态，常常需要 利用空气或水进行强制冷却。热驱动的形状记忆材料普遍存在响应频率低( 1 h z 左右) 的问题【5 ”，在一定程度上和某些场合下限制了它们的更广泛应用。 大应变、高推动力和快速响应速度是新型智能材料的重要指标。目前稀土大磁 致伸缩材料在频率响应方面取得了重大突破【8 2 1 。室温下的大磁致伸缩材料主要是 立方l a v e s 相( l p ) 稀土金属间化合物r f e 2 ，前三位排列是t b f e 2 ( 其中( t b ，d y ) f e 2 商品称为t e r f e n 0 1 ) ，s m f e 2 ( s a m f e n o l 合金) 和d y f e 2 ，相应的磁致伸缩系数大 约分别为1 7 5 x 1 0 。，一1 5 6 x 1 0 。和o 4 3 x 1 0 一。以( t b ，1 3 i y ) f e 2 为基的三元合金 t b 。d y l x f e 2 “0 2 7 x 0 - 3 ，0 y 0 5 ) 在室温附近有最大的磁致伸缩与磁各向异性之 比，被称为t e r f e n o l d ，这类合金已经商品化，目前市场上所谓的稀土超磁致伸缩 材料主要指的这一类合金。磁致伸缩材料无论在功率转换效率、响应频率、低压 效果及可靠性方面都较传统压电陶瓷材料的性能优良。例如，使用磁致伸缩材料 制成的执行器( a c t u a t o r ) 来进行有源消振，可使飞机客舱内的噪声降低2 0 分贝， 达到豪华轿车内的低噪声水平；还可使普通轿车内的振动减弱3 0 分贝。在超声技 术上，使用磁致伸缩材料能制造出功率更大、变幅杆的位移更大的超声换能器； 超声外科手术刀的尺寸比用压电陶瓷制成的超声手术刀小而效率更高。在位移控 制系统、传感器技术、自动化与通信技术、阀门和流量控制方面也具有广阔的应 用前景，而且人们仍在探索开发这种材料应用的新领域。 尽管如此，磁致伸缩材料仍然有诸多难以克服的缺点和局限。以目前最成熟的 t e r f e n o l d 这类材料为例，它们在实验中得到的最大磁致伸缩值已经接近理论上预 言的最大磁致伸缩值，而且即便是理论上预言的最大磁致伸缩值也只达到 2 4 5 0 p p m ；而且这类材料还普遍具有l a v e s 相化合物的易脆性，使得机械加工非常 困难；此外稀土金属的价格也比较昂贵，高频下涡流损耗也很大。所有这些原因 使得磁致伸缩材料的实际应用受到很大的限制。同时，科技和现代化生产的发展 却对磁致伸缩材料提出了更高、更新的要求。在这种情况下，人们始终在寻找新 的材料来解决这些问题。铁磁形状记忆合金的研究就是在这样的背景下兴起的。 铁磁形状记忆合金( f e r r o m a g n e t i cs h a p em e m o r ya l l o y s ，简称f s m a s ) 1 3 , 1 4 1 是最近几年发现的一类新型智能材料，它显著的特征是形状记忆效应可以由磁场 来控制以及马氏体相具有大的可恢复的磁感生应变。铁磁形状记忆合金降温时会 发生马氏体相变，它们具有传统形状记忆台金的所有特性。然而，铁磁形状记忆 合金的最突出的应用功能在于它的马氏体变体可以由外加磁场驱动重新排列而显 示出类似磁致伸缩的宏观应变。因此，铁磁形状记忆合金不仅具有酱通形状记忆 合金大应变和高推动力的特点，而且具有响应速度快和高效率的优点，有望成为 智能材料系统中首选的驱动器材料。另外，铁磁形状记忆合金工作范围在马氏体 2 1 绪论 相，如果温度升到奥氏体转变开始温度以上，即为奥氏体相，磁场便无法控制。 因此，铁磁形状记忆材料的变形机制依赖于两个因素：1 ) 孪晶马氏体的形成；2 ) 马氏体相具有高的磁晶各向异性，即磁矩被钉扎在某一特定方向。铁磁形状记忆 合金现在仍然在发展的初级阶段，到目前为止发现的候选材料包括：n i m n ，c o m n ， n i m n g a , n i m n f e g a ，n i f e g a , c o z m n g a , f e p t ，c o n i ，f e m n s i ，f e n i c o t i ，c o n i g a ， c o n i f e g a 等。在这些铁磁合金中，n i m n g a 不但具有大的磁控形状记忆效应和大 的磁感生应变，而且其马氏体相交表现出多样性的特点，是铁磁形状记忆合金的 典型代表。如依赖材料的成分，该合金除发生马氏体相变外，还发生中间马氏体 相变或预相变，在一个材料中这些相变还可同时发生。由于材料独特的物理性能 和呈现出的广阔的应用前景，因此近几年来受到人们的普遍关注，成为材料科学 界和凝聚态物理学界研究的热门之一。表1 1 和表l _ 2 分别给出了铁磁形状记忆合 金( n i m n g a ) 与其它智能材料性能的比较及应用前景【l ”。 表1 1 磁形状记忆合金( n i m n g a ) 与其它智能材料性能的比较【1 5 】 、 m a t e r i a l sb u l kp i e z o m u l t i l a y e r e dm a g n e t o s t r i c t i v em s m p r o p e r i t e s 、( p z t )p l e z o t e r f e n o l - d f n i - m n g a 、 、 c o n t r o lf i e l de l e c t r i ce l e c t r i c m a g n e t i cm a g n e t i c m a x s t r a i n ss ( i x m m m ) ，l i n e a ro _ 31 2 5 1 61 0 0 w o r k o u t p u t ，o b lx8 f 62 51 1 23 0 0 ( m p a x r g m m ) + y o u n g sm o d l l l u s ( g p a ) 4 8 7 44 5 - 6 22 5 3 57 7 t e n s i l es t r e n g t h ( m p a )5 5 05 3 02 8 c o m p r e s s i v es t r e n g t h ( m p a ) 6 05 07 0 07 0 0 c u r i et e m p e r a t u r e