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《上海交通大学》 2011年
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Ni-Mn-Ga/树脂基复合材料的相变、阻尼与磁致应变研究

孙小刚  
【摘要】:以Ni-Mn-Ga为代表的磁控形状记忆合金形状记忆效应既能温控又能磁控,能够实现热能、磁能和机械能三者之间的转换,是一种很有前景的智能材料。Ni-Mn-Ga单晶材料具有大的磁致应变特性,然而,Ni-Mn-Ga单晶制备成本高昂、尺寸受制备条件限制,其广泛应用存在一定的困难。多晶Ni-Mn-Ga的晶界脆性和低应变量等缺点,限制了其实际应用。此外,大块体单晶、多晶Ni-Mn-Ga合金都存在着高频下涡流损耗的问题。在取向磁场下将Ni-Mn-Ga单晶颗粒复合在聚合物基体中,不仅可以克服多晶Ni-Mn-Ga的晶界脆性问题,而且可以消除大块材料高频涡流损耗。因此近年来,Ni-Mn-Ga/树脂基复合材料的研究引起了人们广泛关注。 本文研究了Ni-Mn-Ga合金多晶块体和单晶粉末的相变行为,制备了Ni-Mn-Ga/树脂基复合材料,研究了Ni-Mn-Ga/树脂基复合材料的阻尼性能和磁致应变行为,探索了提高Ni-Mn-Ga/树脂基复合材料性能的可能途径。 研究了Ni-Mn-Ga合金的相变温度与合金电子浓度(e/a)的关系。结果表明,马氏体相变温度随着合金的电子浓度的增加而增加。电子浓度为7.61的Ni_(52.3)Mn_(23.7)Ga_(24.0)相变点在室温附近,室温时奥氏体与七层马氏体共存;电子浓度为7.62的Ni_(52.5)Mn_(23.7)Ga_(23.8)室温时处于马氏体状态,为七层马氏体结构;电子浓度为7.65的Ni_(53)Mn_(23.5)Ga_(23.5)和7.67的Ni_(55)Mn_(20.6)Ga_(24.4)马氏体相变温度高于室温,室温时为非调制马氏体结构。 在Ni_(52.5)Mn_(23.7)Ga_(23.8)多晶样品中观察到热诱发的可逆的7M (?)5M中间马氏体相变。中间马氏体相变受内应力影响,淬火产生的内应力抑制了Ni-Mn-Ga发生中间马氏体相变,经过500℃×4小时退火后出现中间马氏体相变。7M(?)5M中间马氏体相变的相变温度滞后大,约为30℃,相变焓值小,约为0.8J/g。研究了中间马氏体相变的相变温度和相变温度区间均受母相→7M逆马氏体相变影响的现象。 多晶Ni-Mn-Ga合金具有良好的温度-阻尼能力,逆马氏体相变的阻尼峰值高于马氏体相变阻尼峰值。合金的阻尼性能受到频率、应变振幅等影响,并且与合金所处的状态有关。在马氏体态下,合金的阻尼值随着应变量的增加显著增大;在相变过程中,阻尼峰值随着频率的增加而大幅下降。等温阻尼衰减中,多晶Ni-Mn-Ga合金马氏体态的阻尼能力远远大于奥氏体态的阻尼能力。 研究了Ni-Mn-Ga单晶颗粒在树脂基中的相变行为。结果表明,复合材料中Ni-Mn-Ga单晶颗粒的相变温度不受树脂基体的影响。Ni-Mn-Ga/树脂基复合材料在升降温过程中,伴随着马氏体相变和逆马氏体相变,分别出现了一个阻尼峰。Ni-Mn-Ga/树脂基复合材料的阻尼能力随着Ni-Mn-Ga粉末的含量增加而呈线性增大,随振动频率增加而减小。取向磁场使得Ni-Mn-Ga粉末呈现晶体学择优取向,磁场取向的30vol%Ni-Mn-Ga/树脂基复合材料试样的阻尼性能高于未取向的试样。测试时沿着取向磁场方向的外加磁场有利于进一步提高Ni-Mn-Ga/树脂基复合材料的阻尼性能。 研究表明,Ni-Mn-Ga/树脂基复合材料制备过程中的压制压力等因素使得取向磁场未能实现粉末发生晶体择优取向,但取向磁场使复合材料的磁性能产生了各向异性。Ni-Mn-Ga /树脂基复合材料磁致应变具有临界磁场强度:在临界磁场强度以内,磁致应变量近乎为零;大于临界磁场强度,磁致应变量随磁场强度增加而迅速增大。撤除磁场,磁致应变完全恢复,呈现完全磁致弹性行为。正负磁场作用下磁致应变曲线关于零磁场左右对称。磁致应变量随着Ni-Mn-Ga粉末含量的增加而增加。
【学位授予单位】:上海交通大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:TB332

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