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NiMnGa合金的热力学效应和应用功能研究

崔玉亭  
【摘要】:哈斯勒NiMnGa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L21 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NiMnGa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-应变特性。 在NiMnGa单晶样品中获得并报道了沿单晶[001]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6 K。发现沿应变测量方向施加1.2 T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[001]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Ni52Mn24Ga24单晶样品中的等效取向内应力大小约为2.45 MPa。实验发现NiMnGa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NiMnGa单晶样品在[001]和[010]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Ni53.2Mn22.6Ga24.2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-1.0%,远大于-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NiMnGa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[010]方向施加大小约为1 kOe的磁场,在晶体母相的[001]方向上获得了高达505 ppm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 WP=5 磁场对预相变应变干预的结果。实验发现沿单晶的[010]方向施加同样大小的磁场,不仅预马氏体相变温度下降的更快,而且预马氏体相变应变的改变量更大。根据软模凝结的概念和依据单晶生长的特点,在自由样品中观察到的预相变应变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。实验发现预相变在晶体的[001]和[010]晶体学方向间导致了明显的各向异性,这种各向异性也为对材料的磁性测量所证实。 成功制备出新型赝四元铁磁哈斯勒合金Ni-Mn-Fe-Ga单晶。实验发现该材料具有较大的自发相变应变和磁增强的相变应变及磁感生应变。在单晶Ni52Mn16.4Fe8Ga23.6样品中获得了形变为-1.61%的自发双向形状记忆,其应变在1.2 T外加磁场下增加到-3.30%。在近马氏体相变完成温度施加大小约为0.75 T沿[001]方向的脉冲磁场,在该方向获得最大磁感生应变量达-1.04%。实验发现该材料的磁感生应变具有很好的温度稳定性,从265K到100K,饱和磁感生应变的最大减小量不超过10%。材料的这种性质使该合金在工业和军事上有特别的应用价值。另外,实验也发现在该材料中磁感生应变量最大的方向也是沿单晶的生长方向。 根据相界面摩擦理论,推导出计算NiMnGa系统热动力学参量的一般表示式。结合马氏体相变温度分别在室温以下、室温附近、室温以上的非正配分比Ni2MnGa单晶自发相变应变和交流磁化率随温度变化的测量结果,计算了不同单晶样品马氏体相变过程中界面摩擦所消耗的能量。结果表明相界面运动消耗的能量仅占相变潜热的很小一部分,而且相变潜热越大,相界面运动的摩擦耗能越小。在所调查研究的合金中,相界面运动的摩擦耗能和热滞后之间的比较指出正是相变过程中的界面摩擦导致了相变的热滞后。分析表明不同样品马氏体相变过程的摩擦耗能和相变热滞后存在较大差别的原因在于样品马氏体相变生成物具有不同的结构。


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