Ni-Mn-Ga記憶合金纖維組織結構及熱驅動-磁熱特性.pdf

1、本文經(jīng)過成分設計和制備工藝優(yōu)化，采用紡絲法成功制備了一維小尺寸多晶Ni-Mn-Ga纖維，對制備態(tài)和熱處理過程中纖維的組織結構與性能演化與熱處理和訓練處理對其熱驅動特性和孿晶界運動特性的影響，以及不同磁-結構耦合狀態(tài)設計與磁熱效應等相關方面進行了研究。
　　研究表明紡絲法制備過程中，銅輪轉速和加熱功率影響產(chǎn)物形態(tài)，纖維直徑均勻性與瑞利波的形成有關。纖維最佳工藝參數(shù)為加熱功率~20kW，銅輪轉速~24m/s，進給速率60~90μm/s

2、，可制備得到連續(xù)、直徑均勻的“D”形橫截面纖維。纖維直徑多數(shù)分布在45-65μm，優(yōu)先形核區(qū)域隨制備過程由一個改變成兩個。纖維的橫截面晶粒由形核區(qū)域向自由表面生長，生長方向為<001>方向，形成扇形織構，制備后期逐漸演化為<001>垂直于纖維平面部分的織構，該種織構有利于磁感生應變的獲得。制備態(tài)纖維內(nèi)部奧氏體呈現(xiàn)花呢應變襯度特征并存在大量位錯，馬氏體界面平直并存在多級孿晶結構。
　　纖維有序化熱處理后成分損失很小、均勻性提高；晶粒

3、尺寸與形態(tài)不發(fā)生改變；馬氏體相變溫度和Tc均升高，相變寬度和相變滯后均降低。有序化可改變馬氏體類型與單胞體積、提高纖維磁性能和磁晶各向異性能，但是由于晶粒尺寸不變，孿晶片層依然細小，可達到納米量級。優(yōu)化晶粒長大熱處理工藝得到完全竹節(jié)狀晶粒形態(tài)的纖維，相鄰竹節(jié)晶粒之間取向差較大，馬氏體孿晶片層粗大、清晰。
　　有序化纖維的應力誘發(fā)馬氏體臨界應力和滯后顯著降低，超彈性恢復率提高，相變平臺斜率和Clausius-Clapeyron關系斜

4、率降低，說明超彈性更容易得到，計算得到理論最大應變?yōu)?.018，與制備態(tài)相當。有序化纖維超彈性穩(wěn)定性更高。纖維中得到完全恢復的單程形狀記憶效應，并且發(fā)現(xiàn)熱處理可以改變纖維中初始馬氏體取向，導致單程形狀記憶曲線恢復路徑不同，因此可反過來作為依據(jù)判斷外界條件對初始馬氏體的取向的影響。有序化纖維中c軸傾向于沿軸向排列，從而形狀記憶曲線升溫應變繼續(xù)增加，該現(xiàn)象在拉伸最大載荷增加或訓練之后減弱。少晶纖維中出現(xiàn)c軸傾向于沿徑向排列變體，形狀記憶曲線

5、恢復過程出現(xiàn)應變?yōu)樨撝惮F(xiàn)象。
　　多晶纖維在拉伸條件下?lián)碛型耆赡娴碾p程形狀記憶效應，穩(wěn)定性高。少晶纖維在較低應力下即可得到大于多晶纖維~3-6倍的相變應變。應力熱循環(huán)訓練和超彈性訓練均能提高孿晶界可動性以及降低應力誘發(fā)馬氏體臨界應力。馬氏體狀態(tài)少晶纖維應力-應變曲線呈現(xiàn)多臺階現(xiàn)象，應力熱循環(huán)訓練有效地將少晶纖維孿晶界運動臨界應力由~20MPa減少至~9MPa，為磁感生應變的獲得奠定基礎。
　　調(diào)節(jié)Ni-Mn-Ga纖維成分至

6、e/a=7.7，有序化后達到磁-結構相變耦合狀態(tài)（NMG4C）。Ni50Mn25Ga25-xCux（x=3.8at.％）降低了Tc并提高了馬氏體相變溫度，達到磁-結構耦合狀態(tài)，真空無Mn有序化熱處理后得到沿纖維表面至內(nèi)部呈梯度的Mn元素成分分布，使得相變寬度增加（NMGC1C）。調(diào)節(jié)Ni-Mn-Ga纖維成分至Tc-Ap≈28K，并且采用真空無Mn有序化寬化結構相變寬度（~15.2-20.6K），獲得部分磁-結構耦合狀態(tài)（NMG2C）。纖

7、維的高比表面積以及有序化熱處理對缺陷和內(nèi)應力的消除降低了纖維的熱滯后和磁滯后。磁場誘發(fā)NMG4C纖維由順磁態(tài)奧氏體向鐵磁態(tài)馬氏體轉變，而NMG2C纖維由鐵磁態(tài)奧氏體向鐵磁態(tài)馬氏體轉變，從而導致磁熵變值的差別。
　　50kOe下，磁-結構耦合狀態(tài)NMG4C纖維磁熵變Sm最大值在~372K附近，為~-24.9J/kgK，優(yōu)于Ni-Mn-Ga單晶，但是其制冷溫度區(qū)間TFWHM集中在~3K范圍，大大降低了制冷能力RCnet(50kOe:4

8、8.3J/kg)。結構溫度寬化后的磁-結構耦合狀態(tài)NMGC1C纖維Sm的最大值在~356K附近，為~-8.3J/kgK，然而其TFWHM增加至~13K，使得RC大大增加（50kOe:~78J/kg）。磁-結構部分耦合狀態(tài)NMG2C纖維在~337和~365K出現(xiàn)兩個磁熱峰，分別為~-5.2J/kgK和~-5.3J/kgK，兩峰過渡區(qū)磁熱值為~4.0J/kgK，三者共同作用形成一個大幅度寬化的TFWHM~60K，導致其RCnet值高達~24