研究背景
形状记忆合金被制成薄膜、泡沫或线材的形式时,在小型器件(如微机电系统或微执行器)中显示出潜在的应用前景。在热循环过程中,通过马氏体相变产生的可逆自发形状变化被称为双程形状记忆效应(two-way shape memory effect, TWSME)。TWSME的机理通常归因于立方相中各向异性或内应力的存在。把记忆合金制作的元件在外加应力作用下,反复加热和冷却。当合金加热,恢复到它原来的形状时,即可输出力而做功。通常这种合金的双程记忆效应,配上偏置弹簧制成各种驱动器。TWSME的强度和可逆性取决于样品的微观结构。目前,在传感器中的应用主要是在热循环应力作用下完成。Ti-Ni合金优异的TWSME已经得到了广泛的研究,并在实际应用中得到了广泛的应用。在Ni-Mn-Ga块体单晶和多晶薄膜中也观察到了TWSME,作为具有超细晶结构之一的Ni-Mn-Ga小尺寸纤维,因其特殊的尺寸和微结构特征表现出与块体合金、薄带及薄膜所不同的优异功能或有趣的物理现象,引起了学术界的广泛兴趣与关注。
主要创新点
通过熔体抽拉技术制备Ni50.1Mn24.1Ga20.3Fe5.5多晶纤维,采用步进式热处理释放因快速凝固引入的内应力和缺陷,热处理后原子有序度显著提高,孪晶界平直,在恒应力作用下一个热循环中母相和马氏体相的形状得到完全恢复。双程形状记忆曲线显示了热弹性马氏体相变的两个基本特征:可逆性和热滞性。与诸如Ti-Ni和Cu-Al-Ni的其他合金相比,Fe掺杂的纤维显示出较小的应变-应力依赖性,在恒应变输出的驱动中是有益的。
主要结果和结论
(1)纤维在铜轮表面形核、Ar气氛中自由凝固使得纤维的截面呈现“D”字形。热处理后原子有序度显著提高,孪晶界较制备态纤维相比更为平直。
(2)热处理态纤维施加198 MPa拉伸应力后,双程形状记忆应变达到1.32%,纤维在加热和冷却过程中实现了100%应变恢复。
(3)纤维的马氏体相变温度与外加应力的线性关系符合Clausius-Clapeyron方程,且随着应力增加,马氏体相变温度向高温区移动。
(4)Fe掺杂的形状记忆Ni-Mn-Ga纤维具有良好的马氏体相变及应变完全恢复的双程形状记忆效应,显示出较小的应变-应力依赖性,在恒应变输出的驱动中是有益的。
团队介绍
该项工作由齐齐哈尔大学物理系刘艳芬博士团队共同完成,该团队长期专注于金属磁性材料科学领域,聚焦于新型磁致冷工质Heusler型Ni-Mn-Ga形状记忆合金,在以下方面开展科研工作:形状记忆合金纤维的制备、热处理、小尺寸效应、马氏体相变行为的表征、提高超弹性的应变恢复率、形状记忆效应等力学方面及正、逆磁热效应等方面研究。
目前课题组正承担国家自然科学基金项目“快速凝固超细晶纤维的制备及磁热特性研究”,黑龙江省自然科学基金“微尺度熔体抽拉铁磁形状记忆纤维的双功能特性研究”;黑龙江省省属本科高校基本科研业务费面上项目“微尺度形状记忆金属丝的可控制备及形状记忆效应研究”等。
原文出处:
Ni50.1Mn24.1Ga20.3Fe5.5形状记忆合金多晶纤维的双程形状记忆效应
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刘艳芬, 张学习, 沈红先, 孙剑飞, 温亚芹, 王欢, 任晓辉, 阴爽
材料工程,2021, 49 (3): 41-47.
DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2020.000518