【摘 要】
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Ni-Mn-Ga铁磁形状记忆合金具有大输出应变、高功率因子、可磁驱动的优势,使其有望满足微型传感、制动领域的应用需求。Ni-Mn-Ga合金多功能特性的来源是马氏体相变,由于马氏体相的自协作行为,导致合金实现双程形状记忆效应需要经过训练过程,难以直接实现高应变输出;另一方面,关于合金在磁场作用下产生的电阻及阻抗信号的研究非常有限,缺乏对相变相关磁电阻效应与磁阻抗效应的理论机制研究。为了解决块体多晶N
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Ni-Mn-Ga铁磁形状记忆合金具有大输出应变、高功率因子、可磁驱动的优势,使其有望满足微型传感、制动领域的应用需求。Ni-Mn-Ga合金多功能特性的来源是马氏体相变,由于马氏体相的自协作行为,导致合金实现双程形状记忆效应需要经过训练过程,难以直接实现高应变输出;另一方面,关于合金在磁场作用下产生的电阻及阻抗信号的研究非常有限,缺乏对相变相关磁电阻效应与磁阻抗效应的理论机制研究。为了解决块体多晶Ni-Mn-Ga合金的脆性,本论文研究对象为一维Ni-Mn-Ga 基合金微丝。采用竹节晶结构设计策略,获得晶粒尺寸与直径相近的合金微丝,提高晶粒协调变形能力。在此基础上,对Ni-Mn-Ga基合金微丝的超弹性、形状记忆效应、磁电阻效应及磁阻抗效应进行系统研究,并寻求提高磁性能的有效方法。采用玻璃包覆法制备出沿轴向取向的Ni54.71Mn22.14Ga23.15合金微丝,研究了微丝的形状记忆效应。通过在奥氏体相中引入定向内应力,诱导产生具有有利取向的马氏体,在制备态Ni54.71Mn22.14Ga23.15微丝中实现了突出的本征双程形状记忆效应。无偏置应力下,制备态微丝表现出8.8%的本征双程形状记忆应变;10 MPa应力下,形状记忆应变为14.4%,为目前报道的较高水平。对制备态Ni54.71Mn22.14Ga23.15微丝进行超弹性训练,提高了形状记忆效应的稳定性,训练态微丝的双程形状记忆应变为7.3%,最大输出功为31 J/cm3。该微丝在室温工作窗口下具有低应力-高冲程的应用优势。探究了（Co,Cu）、（Fe,Cu）共掺杂Ni-Mn-Ga合金微丝的两种磁电阻效应机制,并建立了磁电阻效应的转变次序。在奥氏体相变结束点附近,Ni48Mn22Ga22Co4Cu4合金微丝的初始磁化过程出现磁跳跃行为,并导致磁电阻效应出现不可逆特征。磁电阻机制为在典型s-d散射机制的基础上,磁致不可逆相变引起了磁电阻效应的不可逆行为。由于磁致相变与残余马氏体含量密切相关,因此利用Fe元素调节室温残余马氏体含量来实现磁电阻机制转变。结果表明:通过增加Fe含量,有效减小了相变滞后与室温残余马氏体含量;磁电阻效应由不可逆特征转变为滞后的完全可逆特征,机制由磁致相变转变为磁化过程中析出相对马氏体的钉扎作用。进一步地,揭示了超弹性训练对磁电阻效应的影响规律,随均匀性增加,磁电阻机制的转变顺序为滞后的可逆磁电阻-不可逆磁电阻-无滞后可逆磁电阻。系统研究了超弹性训练对Ni46Mn23Ga22Co5Cu4合金微丝磁性能的影响。微丝在室温下可实现超过一万次拉伸循环,且无应变衰减现象,表现出优异的力学稳定性。超弹性训练提高了母相有序度和马氏体相的磁各向异性,从而增强了马氏体和奥氏体的磁有序和强铁磁耦合,宏观表现为微丝磁性能的提高。训练后,两相磁化强度差异ΔM增加了 6.5 emu/g,奥氏体饱和磁化强度 Ms 增加了 10.8 emu/g。研究了 Ni46Mn22Ga24Co4Cu4合金微丝的磁阻抗效应,从磁各向异性转变角度,获得了马氏体相变的磁阻抗响应规律。研究表明:交流阻抗在升温过程中出现峰值,具有对相变过程的响应能力。微丝的单轴各向异性决定了磁阻抗曲线的单峰特征;两相的磁阻抗效应具有明显差异,并强烈依赖于激励电流的频率范围。高各向异性马氏体磁阻抗值更高,具有更高的磁场敏感性。低频下,马氏体磁阻抗具有迟滞特征,产生机制为纳米尺寸马氏体变体界面对畴壁的钉扎作用。50 MHz时,获得两相磁阻抗比的最大值,为16.48%。两相磁阻抗响应差异表明,磁阻抗技术可作为表征铁磁形状记忆合金特征的便捷工具。根据上述研究结果,本论文建立了 Ni-Mn-Ga合金微丝微观结构演变与力学性能、磁电阻效应之间的关系,并探究了超弹性训练对性能的调控机制,为Ni-Mn-Ga合金体系的多功能特性研究提供了理论基础,开拓了应用于传感、监测等领域的研究思路。
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