磁控形状记忆合金Ni2MnGa材料的解析模型及实验特性

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Ni_2AlMn惠斯勒型形状记忆合金的磁转变

Ni_2AlMn惠斯勒型形状记忆合金的磁转变郭世海;张羊换;赵增祺【期刊名称】《国外金属热处理》【年(卷),期】2001(22)3【摘要】根据最新的研究报道,在铁磁性NiGaMn形状记忆(SM)合金发生马氏体相变时,由磁场诱发的孪晶(或变体)界的移动会影响合金的磁性能和形状变化[1,2].具有L21结构的NiGaMn SM合金(Ni2GaMn:Heusler)很有潜力成为一种新型的机敏材料,它的SM性能不仅可以通过温度和应力来控制,而且可以通过磁场来控制[2].同样的效应也可能在相近的Ni-Al-Mn系合金中出现,并且它也具有热弹性马氏体相变,虽然有文献报道了这一合金系的马氏体相变[3],但是没有和马氏体相变有关的磁性能方面的报道[4].最近,F·Gejma等发现,接近化学计量成分的Ni2AlMn合金在低温时效后会出现L21,铁磁相,是B2到2M的马氏体相变[5].这说明,NiAlMn惠斯勒(Heusler)型合金也具有和NiGaMn合金相似的特殊的磁性能和SM性能.本文介绍有关Ni2AlMnHeusler型合金磁性能的研究结果.【总页数】2页(P12-13)【关键词】形状记忆合金;磁转变;马氏体;有序化【作者】郭世海;张羊换;赵增祺【作者单位】包头钢铁学院材料系【正文语种】中文【中图分类】TG139.6【相关文献】1.Ni-Ga-Fe-Co铁磁形状记忆合金的磁性转变和马氏体相变 [J], 今野阳介2.Ni2AlMn惠斯勒型形状记忆合金的磁转变 [J], 郭世海;张羊换;赵增祺3.哈斯勒合金Ni-Mn-Ga的马氏体相变和磁增强双向形状记忆效应 [J], 柳祝红;胡凤霞;王文洪;陈京兰;吴光恒;高书侠;敖玲4.磁控形状记忆合金蠕动型直线电机研究 [J], 王凤翔;张庆新;吴新杰;李文君;井路生5.γ相对磁形状记忆合金Co-Ni-Ga马氏体相变和形状记忆效应的影响 [J], 霍颜秋;龙秀慧;谢华;李建国因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

磁性形状记忆合金Ni2MnGa第一性原理研究

3.929
0.322(Ni) 3.359(Mn) -0.074(Ga)
其他理论计算值实验值
0.581(FLAPWGGA)
0.5822
0.5773(GGA)
0.5683(LSDA)
4.09(FLAPW-
4.17
GGA)
4.22(GGA)
3.92(LSDA)
0.37(Ni)
0.24(Ni)
3.36(Mn)(FLAPW 2.74(Mn)
（3）态密度图5 Ni2MnGa在奥氏体态下的总态密度和各原子相
应的态密度
结论：
(1)总态密度的低能部分（-10.36至-5.12ev）主要由 Ga的s和p态决定，而高能部分的态密度（-5.12至 4.83ev）主要由Ni和Mn的d态决定。
(2)总态密度的自旋向下部分以费米能级（这里为0ev）为界有两个峰值。高能部分的峰值主要来源于Mn 的d态，低能部分的峰值主要来源于Ni的d态。
（2.2）
式中 M
i
是位置在
Ri
处的原子核的质量，Z
i
，Z j
是原子
核所带电荷，m e 是电子的质量，ri ，rj 是电子所处的位置。
哈密顿量的第一项是原子核的动能项，第二项是电子
的动能项，后面三项分别是电子和原子核，电子和电
子，以及原子核与原子核之间的相互作用。
2.2多体问题的计算方法
2.2.1 非相对论近似认为电子质量等于其静止质量，并认为光
谢谢大家！
即 H T V V ext
两类粒子组成的多粒子体系问题
多电子
体系问题
2.2.3 单电子近似
采用玻恩一奥本海默绝热近似后，相应的薛定谔方程仍然是一个多体薛定谔方程，所以需要进一步对它进行简化，以便得到单电子的薛定谔方程。

NiFeGa铁磁形状记忆合金的相变特性及磁热效应研究的开题报告

NiFeGa铁磁形状记忆合金的相变特性及磁热效应研究的开
题报告
尊敬的评审老师们：
我是XXX，即将开始我的研究生学习，希望在此申请进行我所感兴趣的课题——NiFeGa铁磁形状记忆合金的相变特性及磁热效应研究。

NiFeGa合金是一种具有形状记忆效应和铁磁性的材料，其具备以下特性：高的
饱和磁感应强度、较高的居里温度、优秀的形状记忆效应等。

这些特性使得NiFeGa合金在微机电系统（MEMS）、可折叠结构、能量转换等多个领域中具有广泛的应用前景。

本课题旨在通过对NiFeGa铁磁形状记忆合金的相变特性及磁热效应进行深入的
研究，探究其在不同环境下的磁热效应及形状记忆体的形变特性，并进一步研究其在
微机电系统中的应用。

课题研究的主要内容包括以下几个方面：
1. NiFeGa合金的物理性质及制备方法的研究；
2. NiFeGa合金相变特性的探究及影响因素的分析；
3. NiFeGa合金的磁热效应研究及其在微机电系统等应用中的可能性；
4. 形状记忆体的形变及其机理探究。

本课题将采用多种研究方法，包括实验、理论分析等，对NiFeGa合金的相变特
性及磁热效应进行全面系统的研究。

预计研究结果将有望挖掘NiFeGa铁磁形状记忆合金的潜在应用价值并为相关工程设计及相关领域的研究提供理论与实验参考。

谢谢大家的关注！。

Ni_2MnGa铁磁形状记忆材料

Ni_2MnGa铁磁形状记忆材料金学军;彭志明;R.C.O’Handley;S.M.Allen;徐祖耀【期刊名称】《世界科技研究与发展》【年(卷),期】2003(25)1【摘要】铁磁形状记忆合金 (FSMA)是在一定温度范围马氏体相稳定同时又具铁磁性的一类特殊的形状记忆合金。

Ni2MnGa铁磁形状记忆合金近年来成为呈现磁场驱动大应变的新型驱动材料 ,这些应变来自磁场诱发马氏体孪晶的重排 ,而不是磁场对奥氏体至马氏体相变的作用。

孪晶变体的重排在宏观上呈现为正或切应变 ,一非化学计量比Ni2 MnGa单晶于室温加 0 .4T磁场能产生6 %的应变 ,Ni Mn Ga单晶在高至 15 0Hz的交变磁场仍可得到 2 .5 %的应变。

本文阐述了与这种磁控形状记忆效应相关的孪晶界迁动的磁学和晶体学理论。

马氏体相的大磁晶各向异性能使磁化沿c轴方向有利 ,穿过孪晶界c轴刚好转动 90度 ,同时 ,这个孪晶界也构成了约 90度的畴界。

在各向异性的情况下 ,孪晶界的迁动仅有相邻孪晶变体的Zeeman能差驱动,μ0 ΔMis·Hi。

磁场和外应力对应变的影响通过对一简单的自由能表达式取极小值来表示 ,自由能表达式包括Zeeman能、磁晶各向异性能和外应力以及在某些情况下需考虑的内部弹性能 ,模型的所有参数可通过应力应变曲线和磁化曲线测量得到。

铁磁形状记忆合金的磁场诱发应变可类比传统热弹性形状记忆效应 ,与更为人们所熟知的磁致伸缩现象不同。

【总页数】11页(P55-65)【关键词】磁致伸缩现象;孪晶界;Ni2MnGa;铁磁形状记忆材料【作者】金学军;彭志明;R.C.O’Handley;S.M.Allen;徐祖耀【作者单位】上海交通大学材料科学与工程学院;Department of Materials Science and Engineering,Massachusetts Instituteof Technology【正文语种】中文【中图分类】TG139.6【相关文献】1.基于磁记忆机理的铁磁材料弯曲变形状态研究 [J], 邢海燕;樊久铭;李雪峰;徐敏强2.磁控形状记忆合金Ni_2MnGa解析模型及特性 [J], 张庆新;王凤翔;张红梅3.定向凝固铁磁形状记忆合金Ni_2MnGa的固-液界面形态 [J], 蒋成保;刘敬华;张涛;徐惠彬4.Ni_2MnGa铁磁形状记忆合金开裂的原位研究 [J], 沈连成;何健英;宿彦京;褚武扬;乔利杰5.磁控形状记忆晶体Ni_2MnGa研究进展 [J], 王锦昌;刘岩;冯楚德;谢华清;倪沛汶因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

备用

人们研究了Ni2MnGa合金的相变温度、居里温度与成分的关系，研究了Ni2MnGa合金的中间马氏体相变、预马氏体相变、磁感生应变和Ni2MnGa合金的应力-应变特性及单变体马氏体的磁性。

得出Ni2MnGa是Heusler合金中最早被发现兼有铁磁性和热弹性马氏体相变特征的材料。

1996年，美国MIT研究人员在研究Ni2MnGa单晶时发现，在低温马氏体相约1T 磁场可以使单晶样品产生大约0.2%的可恢复应变，接近稀土大磁致伸缩材料。

Ni2MnGa合金另一个令人瞩目的特点是对于某些近正配分比的材料在马氏体相变前，发生所谓的预马氏体相变。

NiMnGa合金主要是在马氏体相变温度附近产生大应变和大磁感生应变，实验发现Ni2MnGa除了发生马氏体相变外在一定组分的单晶样品中还存在由一种结构的马氏体相向另外一种马氏体相转变的中间马氏体相变。

发现沿不同晶体学方向施加相同性质的应力，可形成不同个数的应力平台，每一个应力平台飞出现对应着应力诱发了一次马氏体相变；沿同一晶体学方向施加相同性质的应力，在应力应变曲线上出现的个数也不相同；不同性质的应力及不同应力方向导致的应变量也不相同。

基于形状记忆合金的精密控制技术研究

基于形状记忆合金的精密控制技术研究近年来，随着科技的不断进步，人类的生产技术也在不断升级。

形状记忆合金作为一种新型的功能性材料，它具有具有形状记忆、超弹性、低摩擦、无电火花、防腐蚀等特性，被越来越广泛地应用于现代制造业。

其中，在精密控制领域，基于形状记忆合金的精密控制技术被广泛应用于机器人、智能仪器、医学器械等领域。

一、形状记忆合金的基本特性形状记忆合金是一种智能材料，常用的合金有Ni-Ti、Cu-Al-Ni 等。

在特定的温度和应力作用下，形状记忆合金具有形状记忆效应。

它的特性包括：1.形状记忆效应：当形状记忆合金在低温下（通常为近室温度）时，会有一种“预设形状”，并在高温下（通常为材料的相变温度上限）时具有另外一种“高温形状”。

当形状记忆合金重新降温到低温时，它会通过压缩或其他加工方式，将高温形状改变为低温形状，实现形状记忆效应。

2.超弹性：形状记忆合金在受到压力或弯曲等变形后，可以恢复原来的形状，发挥出相当程度的记忆力。

3.低摩擦：由于形状记忆合金的表面具有一定程度的凹凸形状，所以与其他材料的摩擦系数很低。

4.无电火花：当形状记忆合金受到切割加工等物理压力时，不会产生明显的火花，安全性高。

5.防腐蚀：形状记忆合金具有很好的耐蚀性，可以在腐蚀性较强的介质中使用。

二、基于形状记忆合金的精密控制技术研究形状记忆合金具有上述特性，因此在精密控制领域具有良好的应用前景。

目前，国内外的科研机构和企业都在大力推进形状记忆合金的精密控制技术研究。

主要应用领域包括：1.机器人领域机器人是一种智能化产品，具有代替人类完成各种任务的潜能。

然而，机器人中各种关键部件的尺寸都非常微小，精度要求极高。

形状记忆合金具有良好的形状记忆效应和超弹性，因此可以用于制造机器人的关键部件，如掌指、手指和关节等。

2.智能仪器领域高精度的测量仪器对于各种工业应用都非常重要。

形状记忆合金的超弹性和低摩擦性质可以被应用于微机电系统（MEMS），可以用于制造新型测量仪器中的传感器、电极和活塞等。

Ni-Mn-Ga磁控形状记忆合金中的马氏体相变

Ni-Mn-Ga磁控形状记忆合金中的马氏体相变陈小丽;卢斌;武国剑【摘要】文章采用电弧熔炼法熔炼Ni48Mn31Ga21和Ni2MnGa两种合金,并对这两种合金进行了热处理,借助交流磁化率测定、金相显微镜观察、X射线以及磁化曲线等手段研究了Ni-Mn-Ga磁控形状记忆合金中的马氏体相变.结果表明:(1)Ni48Mn31Ga21合金在室温下发生了马氏体转变,而Ni2MnGa合金在室温下则未发生马氏体转变;(2)室温下Ni2MnGa合金的饱和磁化强度比Ni48Mn31Ga21合金高;对于Ni48Mn31Ga21合金,其马氏体态的饱和磁化强度要高于奥氏体态.【期刊名称】《湖南有色金属》【年(卷),期】2008(024)002【总页数】3页(P50-52)【关键词】马氏体相变;X射线衍射;饱和磁化强度【作者】陈小丽;卢斌;武国剑【作者单位】合肥工业大学,安徽,合肥,230009;中南大学,湖南,长沙,410083;合肥工业大学,安徽,合肥,230009【正文语种】中文【中图分类】TG115自1960年美国海军试验室 Buchler等人首次发现 NiTi合金中的形状记忆效应以来，形状记忆合金引起世界各国学者的广泛兴趣。

目前在基础研究和应用开发研究方面，取得了巨大的进展，并已在航空、航天、医学、工程及人们的日常生活领域中取得了广泛的应用［1～4］，近年来，以 Ni2MnGa为代表的Heusler型磁性形状记忆合金引起人们的关注，这种合金既具有象热弹性马氏体那样的形状记忆效应；又可在马氏体状态下，由磁场诱发应变产生形状记忆效应，且响应频率接近磁致伸缩材料，这种兼备形状记忆效应与超磁致伸缩现象的合金，弥补了传统记忆合金响应频率慢，应变量小的不足，是一种理想的智能驱动材料。

但是对于正分配比的 Ni2MnGa合金，其马氏体相变发生在 200 K左右，这对其应用有了很大的限制，实验中发现，适当改变合金中各元素的化学计量，会使该合金材料的马氏体转变温度、居里温度发生变化，以满足应用需要。

形状记忆合金初级版本

• 双程记忆效应
加热时恢复高温相形状，冷却时恢复低温相形状，通过加热时恢复高温相形状，冷却时恢复低温相形状，温度升降自发可逆地反复恢复高低温相形状的现象称为双程记忆效应，又称可逆记忆效应。双程记忆效应，又称可逆记忆效应。
• 全程形状记忆效应
加热时恢复高温形状，加热时恢复高温形状，冷却时变为形状相同而取向相反的高温相的现象。的高温相的现象。
形状记忆合金在航空航天中的应用
智能机械手
形状记忆元件具有感温和驱动双重功能，双重功能，因此可制作用于航天空间探索的智能机械手。空间探索的智能机械手。手指和手腕靠Ti Ni合金螺旋弹簧的伸 Ti手腕靠Ti-Ni合金螺旋弹簧的伸缩实现开闭和弯曲动作，缩实现开闭和弯曲动作，肘和肩是靠直线状Ti Ni合金丝的伸缩 Ti是靠直线状Ti-Ni合金丝的伸缩实现弯曲动作。实现弯曲动作。各个形状记忆合金元件都由直接通上的脉宽可调电流加以控制。电流加以控制。这种机械手的最大特点是小型化，非常适于航天的无人操作活动。其另一个重要特征是动作柔非常接近人手的动作, 软，非常接近人手的动作,可完成许多细腻的工作，成许多细腻的工作，如取出鸡蛋等。
形状记忆合金的应用
• • • • 形状记忆合金在航空航天中的应用形状记忆合金在医学中的应用形状记忆合金在生活中的应用形状记忆合金在其他方面应用
形状记忆合金在航空航天中的应用
月面天线
宇宙飞船登月之后，为了将月球上收集到的各种信息发回地球，宇宙飞船登月之后，为了将月球上收集到的各种信息发回地球，必须在月球上架设直径为好几米的半月面天线。上架设直径为好几米的半月面天线。要把这个庞然大物直接放入宇宙飞船的船舱中几乎是不可能。但利用形状记忆合金则能使其成为可能。中几乎是不可能。但利用形状记忆合金则能使其成为可能。先用镍钛合金在高温下制成半球形的月面天线（这种合金非常强硬，先用镍钛合金在高温下制成半球形的月面天线（这种合金非常强硬，刚度很），再让天线冷却到28℃以下这时，合金内部发生了结晶构造转变，再让天线冷却到28℃以下。好），再让天线冷却到28℃以下。这时，合金内部发生了结晶构造转变，变得非常柔软，所以很容易把天线折叠成小球似的一团，放进宇宙飞船的船舱里。常柔软，所以很容易把天线折叠成小球似的一团，放进宇宙飞船的船舱里。到达月球后，宇航员把变软的天线放在月面上，月球后，宇航员把变软的天线放在月面上，借助于阳光照射或其他热源的加热使环境温度超过奥氏体相变温度，这时天线犹如一把折叠伞那样自动张开，环境温度超过奥氏体相变温度，这时天线犹如一把折叠伞那样自动张开，成为原先定形的抛物状天线，迅速投入正常的工作。先定形的抛物状天线，迅速投入正常的工作。

磁驱动形状记忆合金NiMnInCo马氏体转变与磁性能的研究

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1
磁驱动形状记忆合金 NiMnIn（Co）马氏体转变与磁性能的研究
§1.2
磁控形状记忆合金 NiMnGa 合金的发展概况
Ni-Mn-Ga 合金是最早发现的磁控形状记忆合金，对它的研究也最为深入和最具代表性，并且已实现初步应用。在这里简单介绍一下 Ni2MnGa 合金的晶体结构、马氏体相变、影响合金主要物理参数的因素等等。 1.2.1 Heusler 合金简介 Heusler 合金是 19 世纪初发现的，是一种高度有序的三元金属间化合物。金属间化合物是由金属原子相互结合形成的化合物，称其为化合物是由于金属原子之间键合具有部分共价键的性质，使得原子之间相互结合十分牢固，这一特点使其具有高熔点、高硬度、高耐磨性等优异性能，但也产生了脆性。 Heusler 合金一般为立方结构，空间群 Fm3m[23]，一般化学式为 X2YZ。Heusler 合金近 200 种，一直作为金属间化合物中典型的材料来研究元素的磁性，在以往的研究中设计磁控 Heusler 合金时，X 多为 IB 族的 Cu、Ag、Au；VIII 族的 Pd、Pt、Rh、Ir 等贵金属元素；Y 为过渡族金属如 Mn、Fe、Nb、Ta、Ti、 Zr、Hf，其中尤以 Y 为 Mn 系研究的最多；而 Z 则常为 IIIA 族的 Al、Ga、In，IVA 族的 Si、Ge、Sn、 Pb 以及 VA 族的 Sb 等所谓的 S-P 元素。 Heusler 合金与许多典型合金的结构相关联，若逐渐降低其有序性，即为 CsCl 性体心立方结构，若 X 元素的一半为空位替代，则成为 MgAgAs 性结构的半 Heusler 合金，有着类似的物理特性，且与立方 Laves 有着相应联系。这种结构的变通性和构成元素 X、 Y、 Z 的多样性，演化出该材料十分丰富的物理性质，如磁性、超导、巨磁阻、磁光效应、磁感生应变和形状记忆效应等，这些都是目前国际上引人注目和正在积极开发的应用功能。 1.2.2 Ni2MnGa 合金的晶体结构及微结构 Ni2MnGa 属于 Heusler 型合金,是一种有序度很高的三元金属间化合物,母相奥氏体为高度有序的 L21 体心立方结构[24-26],是典型的 Oh (Fm3m)型空间点阵结构,如图 1 所示。由图 1 可以看出,L21 结构是

两轴向磁场时磁控形状记忆合金的本构模型

两轴向磁场时磁控形状记忆合金的本构模型随着科技的不断进步，磁控形状记忆合金作为一种新型材料，已经被广泛应用于机械、电子、航空等领域。

在实际应用中，磁控形状记忆合金的性能研究和模型建立是非常重要的。

本文将介绍一种针对两轴向磁场时磁控形状记忆合金的本构模型。

一、磁控形状记忆合金的基本特性磁控形状记忆合金是一种由金属、合金等材料制成的智能材料，其最大特点是可以通过磁场对其形状进行控制。

其主要应用领域包括机械、电子、航空等。

磁控形状记忆合金具有以下基本特性：1.形状记忆效应磁控形状记忆合金可以通过磁场控制其形状，具有形状记忆效应。

当磁场作用于磁控形状记忆合金时，其形状可以发生变化，当磁场消失时，其形状可以恢复到原来的状态。

2.磁致伸缩效应磁控形状记忆合金还具有磁致伸缩效应。

当磁场作用于磁控形状记忆合金时，其长度可以发生变化。

3.磁阻抗效应磁控形状记忆合金还具有磁阻抗效应。

当磁场作用于磁控形状记忆合金时，其电阻可以发生变化。

二、两轴向磁场时磁控形状记忆合金的本构模型磁控形状记忆合金的本构模型是描述其力学行为的数学模型。

针对两轴向磁场时磁控形状记忆合金，可以建立以下本构模型：1.应力张量在两轴向磁场时，磁控形状记忆合金的应力张量可以表示为：σ = (σ11, σ22, σ33, σ12, σ13, σ23)其中，σ11、σ22、σ33分别表示磁控形状记忆合金在x、y、z三个方向的正应力，σ12、σ13、σ23分别表示磁控形状记忆合金在xy、xz、yz三个方向的剪应力。

2.应变张量在两轴向磁场时，磁控形状记忆合金的应变张量可以表示为：ε = (ε11, ε22, ε33, ε12, ε13, ε23)其中，ε11、ε22、ε33分别表示磁控形状记忆合金在x、y、z三个方向的正应变，ε12、ε13、ε23分别表示磁控形状记忆合金在xy、xz、yz三个方向的剪应变。

3.磁场张量在两轴向磁场时，磁控形状记忆合金的磁场张量可以表示为： H = (H1, H2, H3)其中，H1、H2、H3分别表示磁控形状记忆合金在x、y、z三个方向的磁场。

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Fig.1 Schematic diagram magnetically induced growth of the twin variant which is favorable orientation to
the external magnetic field (H1<H2
对于磁晶各向异性能大于或等于孪晶再取向能（即孪晶界面的移动能）的磁性记忆合金，假设其每个马氏体片由单一的孪晶变体构成，该孪晶为单磁畴结构，且自发磁化强度（M）的择优取向平行于外加磁场方向（H）。当合金处于外磁场时，磁畴的自发磁化程度方向将转向外加磁场方向，对孪晶界产生较大的压力。这时，如果各向异性能较高而孪晶界面的界面迁移激活能较低，孪晶界将发生移动，导致宏观变形的产生。而在磁致伸缩机制中，当磁畴的磁化强度转向外场方向时，不会导致取向的改变。
0 引言
形状记忆合金作为一种驱动材料已在许多领域获得了广泛的应用，然而传统的形状记忆合金，如 TiNi 基、Fe 基和 Cu 基合金等，虽具有较大的可逆恢复应变和大的恢复力，但由于其受温度场驱动，其响应频率较低，而电致和磁致伸缩材料虽具有较高的响应频率，但可逆应变量较小[1~2]。磁控形状记忆合金（Magnetically Controlled Shape
4. 结论
（1）本文分析了 MSMA 的变形机理，阐述了材料产生大应变的微观机制。通过实验验证了宏观应变不是马氏体-奥氏体相界的运动引起的，而是孪晶界移动的结果；
（2）MSMA 是具有双向形状记忆效应的功能材料，其变形率随预压力当磁场达到一定值时，形变达到饱和值。
Fig.4 From model equation calculated strain vs. applied field curves
由图 3 中可以看出，在保持温度和压应力不变的情况下，磁场强度较小时，变形率与所加磁场强度大致成线性关系，变形率随磁场的增大而增大，当磁场强度继续增大时，Ni2MnGa 的形变率增长速度减慢，出现饱和特性。在温度和磁场强度不变时，变形率随压应力的增加而减小，无压应力时变形最大可达 3.6%，而当压应力达到 2.3MPa 时，变形率仅为 0.1%。通过实验发现，当磁场消失时，压应力太小，Ni2MnGa 不能恢复到原始状态而保持一定的形变率；而压力太大，形变率又太小，且弹簧的动态性能较低。如何改变恢复形变的方法和提高动态性能仍是我们在实际

磁控形状记忆合金 Ni2MnGa 材料的解析模型及实验特性
张庆新 1，2，王凤翔 2
（1 沈阳航空工业学院自动控制系，辽宁沈阳 110034 2 沈阳工业大学电器控制技术研究所，辽宁沈阳 110023）摘要：系统的阐述了磁控形状记忆合金（Magnetically Controlled Shape Memory Alloy 简称 MSMA）的微结构、相变机理和形状记忆效应。利用自行设计的实验装置研究了 Ni2MnGa 合金样品在静态直流下的应力、磁场和形变之间的关系，绘出了不同压应力下磁场强度与变形的实验曲线，给出了 O’Handley 解析热力学模型，并与实验结果进行了比较。实验结果证明，Ni2MnGa 合金变形率随着压应力的增加而减小，随磁场强度的增加而增大。这为 Ni2MnGa 合金的实际应用打下了理论和实验基础。关键词：磁控形状记忆合金磁感生应变解析模型特性
可动顶杆和弹簧
力传感器霍尔与温度传感器
可调螺母
涡流传感器
静止顶杆
NiMnGa 合金铁芯线圈
图 2 实验装置样机照片 Fig.2 The prototype of test device
调节压应力的大小。由左侧力传感器及相应的测量仪表读出压应力的值。同时，在气隙磁场中置入霍尔传感器和温度传感器，以测量所加磁场大
2 磁场诱发应变的实验测试结果
2.1 MSMA特性测试装置的设计
本文应用的单晶马氏体 Ni2MnGa 合金是由芬兰赫尔辛基 Adaptamat 公司提供的，样品的尺寸 5mm×5mm×20mm，晶体结构是沿磁场易轴(c 轴)，正交轴为长轴。
实验装置如图 2 所示，用铁心线圈产生一个封闭磁路，然后在适当位置开一个气隙，把 Ni2MnGa 合金材料放入其中，使磁场垂直穿过。 Ni2MnGa 合金一端固定于静止顶杆，另一端自由移动，伸长时推动可动顶杆，可动顶杆上套有恢复弹簧，以给 Ni2MnGa 施加压应力，并通过螺母
因此，磁控形状记忆合金的形状记忆效应不是通过温度的改变而是通过磁场变换达到的，也就是说，在磁场作用下发生磁诱发相变，这个动作是瞬时进行的。所以，磁控形状记忆合金不仅具有普通形状记忆合金应变、应力大的优点，而且具有反应迅速、响应频率高的优点，可以应用于各种耦合系统、定位系统、减震器、力/位移传感器、功率发生器等很多场合，有望成为智能材料系统中首选的驱动器材料。
参数
测量值的范围用于图中的值
Strain(%)
4
0 Mpa
0.35Mpa
0.80Mpa
3
1.2Mpa
1.9Mpa
2.3Mpa
2
1
0 0 150 300 450 600 750 900 Field(kA/m)
图 3 31℃时，Ni2MnGa 单晶在不同压应力时的磁场诱发应变曲线
Fig. 3 The curve field-induced strain at various stresses at 31℃ temperature for Ni2mnGa single
Memory Alloy 缩写为 MSMA）是一种新型功能材料，具有双向形状记忆和磁感生应变功能，可以在磁场的作用下诱发马氏体相变或马氏体再取向，从而产生较大的可恢复应变，弥补了传统记忆合金响应频率慢，磁致伸缩材料应变量小的不足，是一种理想的智能驱动材料，具有广阔的应用前景[3~4]。
本文对磁控形状记忆合金机理进行了探讨，并利用自行设计的实验装置研究了磁场、压
-2-
小及 Ni2MnGa 的实验温度，涡流传感器用来测量材料的变形量，传感器在测量前均已标定完毕。
2.2 静态应力下的直流驱动
实验过程中通过改变励磁线圈的电流改变磁场的大小，通过线圈发热给材料加热，可调螺母改变压应力的大小。利用霍尔传感器、温度传感器和涡流传感器分别测出磁场、温度和位移的大小。
图 3 给出了 MSMA 单晶样品在 31℃时不同轴向外应力时磁场诱发的测量结果。
Strain(%)

4
0MPa
3
0.2MPa
2
1.4MPa
1 0.0
2.1MPa
0.2 0.4 0.6 0.8 Field(MA/m)
图 4 模型公式近似计算的应变与外加磁场曲线
基金项目：国家自然科学基金资助项目（50177019）；辽宁省教育厅青年基金项目（2004F109）作者简介：张庆新（1970-），男河北涞水人，博士研究生，副教授，主要从事智能材料及智能控制系统的研究。
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应力与形变的关系，给出了 MSMA 的 O’Handley 解析热力学模型，分析了直流下的实验特性曲线，给出了相应的结论。这种实验方法和所得的结论对新型智能材料的应用和微驱动技术具有重要意义。
1 磁控形状记忆合金 MSMA 的磁驱动形
状记忆机制
K.Ullakko 等人[3，5~7]认为磁性记忆材料的磁驱动记忆机制在于磁场诱发孪晶的再取向，其机理类似于一般形状记忆合金中的应力诱发孪晶变体的再取向，如图 1 所示。
双晶边界
双晶边界
H=0
双晶边界
H1
双晶边界
H2
(a)
(b)
(c)
图 1 磁场引起双晶变体生长并沿外加磁场最优取向示意图
The Analysis model and Experimental Characteristics of Magnetically Controlled Shape Memory Alloy Ni2MnGa
Zhang Qingxin1,2，Wang Fengxiang2
1. Department of Automatic Control, Shenyang Institute of Aeronautical Engeering, Shenyang 110034 China; 2. Research Institute of Electrical Control Technical, Shenyang University of Technology, Shenyang 110023,
设计执行器时需要解决的问题[8]。
3. MSMA孪晶界迁动的定量解析模型
O’Handley 指出[9~10]，孪晶界两侧变体间的 Zeenman 能差提供孪晶移动的驱动力，样品在磁场作用下改变形状，实质上是引入磁场之后，系
表 1 单晶 Ni2MnGa 力学和磁参数的测量值及用于模型计算的值
Tab.4 The measuring and calculating value for model of mechanic and magnetic property on Ni2MnGa single crystal
（3）虽然 O’Handley 模型与实验结果基本符合，但当磁场强度达到一定值后，由模型决定的磁感生应变量将随磁场的增大而减小，不会达到饱和，与实验结果不符，说明模型比较简单，所以建立比较满意的数学模型仍是 MSMA 研究的主要内容之一。
2 s
H
2
−σ
Ce0
4KuCe0 C
不同温度下饱和磁化强度 M s 、饱和磁场强
度 H s 和磁晶各向异性常数 Ku 可以从对材料的
磁性研究中得出[4]。如图4是利用表1计算的不同
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应力下与外加磁场的关系曲线,它是一条近似的曲线。可见，随着磁场的增加，磁感生应变量增大，而且应变随磁场的变化关系是非线性的，与实验结果基本符合。