新型磁驱动多功能合金的材料设计与高性能化

近年来,磁驱动多功能合金作为一种新型功能材料应运而生。该合金能够在磁场作用下发生马氏体变体再取向或者奥氏体与马氏体之间的转变从而产生磁致形状记忆效应、磁热效应、磁阻效应、磁热传导效应、弹热效应、交换偏置效应、超弹性等多功能特性。磁驱动多功能合金将传统形状记忆合金与磁致伸缩材料的优点集于一身,既具有大的输出特性也具有高的响应频率,方便易控,作为传感和驱动材料在航空、航天、国防、能源、生物医学等领域具有广阔的应用空间。本刊特邀北京科技大学王沿东教授课题组(以下简称课题组)就几种典型的磁驱动多功能合金体系进行论述,与国内同行就该领域的最新研究进展分享交流。

(Ni_(45)Mn_(40)Sn_(10)Co_(5))_(100-x)Gd_(x)合金的微观结构、马氏体相变及力学性能

研究了稀土Gd合金化对(Ni_(45)Mn_(40)Sn_(10)Co_(5))_(100-x)Gd_(x)(x=0,0.1,0.2,0.5,2,原子数分数,下同)磁性形状记忆合金的显微结构、马氏体相变及力学性能的影响.结果表明:低Gd掺杂量(x=0.1,0.2)对合金的相组成和显微组织影响甚微;当x(Gd)≥0.5时,合金中有第二相析出;在各成分合金中均观察到一步热弹性马氏体相变,随着Gd掺杂量的增加,单相合金(x=0~0.2)的马氏体相变温度单调上升,双相合金(x=0.5,2)的马氏体相变温度先下降后上升;适当的Gd掺杂量(x=2)能显著提高合金的压缩强度和延展性.

Heusler型磁相变合金先进原位表征与功能设计

Heusler型磁相变合金是一类新型智能材料,能够在外加磁场下发生相变,从而产生磁致形状记忆效应、磁超弹性、磁热效应、磁阻效应等多功能特性,作为传感、驱动和固态制冷材料在航空航天、国防、能源等领域具有广阔的应用前景.此类合金的晶体结构、磁结构和多场耦合下的相变对其功能特性具有重要影响.中子散射技术为Heusler型磁相变合金的晶体结构、磁结构和晶格动力学研究提供了独特的条件,原位中子散射和同步辐射高能X射线衍射技术为多场耦合下的磁-结构相变研究提供了理想的工具.本文综述了基于先进中子散射技术和同步辐射技术对Heusler型磁相变合金晶体结构、磁结构和外场耦合下相变的原位研究,以及基于这些先进原位表征的合金高性能设计,以期能为将来高性能磁相变材料的设计和研制提供借鉴.

全过渡族合金Mn_(50)Ni_(50-x-y)Fe_(x)Ti_(y)的马氏体相变行为研究

本文制备了一系列Mn_(50)Ni_(50-x-y)Fe_(x)Ti_(y)全过渡族(all-d-metal) Heusler合金的甩带样品,并系统研究了Ti, Fe元素替代对其马氏体相变的影响.相同Fe含量时, Ti含量的升高能够稳定B2母相,从而降低马氏体相变温度.此外,Ti8合金中,马氏体相变温度随Fe含量的升高而下降,这表明Fe取代Ni原子也可以稳定B2结构的母相;同时,随着Fe含量的增加, Ti8合金中部分5M马氏体转变为L1_(0)马氏体并降低了热滞,表明L1_(0)马氏体与母相之间的相变驱动力小于5M马氏体与母相之间的相变驱动力.而当y>8时,马氏体相变温度会随着Fe含量的升高而略微上升,这可能是由于Fe原子的无序占位所致.此外, Fe的加入具有铁磁激活的作用,建立了磁有序,使居里温度上升.电阻率测量显示,马氏体相变过程中伴随有显著的电阻变化,其原因是马氏体的显著晶格畸变对电子的散射作用.进一步发现,退火处理可以消除Fe原子无序占位,从而稳定B2母相,使得不同Ti含量的马氏体相变温度均可由高温下降至室温附近.本研究表明, Ti, Fe替代可以在室温附近获得一系列马氏体相变,为进一步的磁热及弹热研究提供了候选材料.