Ni-Mn-Ga記憶合金纖維組織結(jié)構(gòu)及熱驅(qū)動(dòng)-磁熱特性.pdf

1、本文經(jīng)過(guò)成分設(shè)計(jì)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(duì)制備態(tài)和熱處理過(guò)程中纖維的組織結(jié)構(gòu)與性能演化與熱處理和訓(xùn)練處理對(duì)其熱驅(qū)動(dòng)特性和孿晶界運(yùn)動(dòng)特性的影響，以及不同磁-結(jié)構(gòu)耦合狀態(tài)設(shè)計(jì)與磁熱效應(yīng)等相關(guān)方面進(jìn)行了研究。
　　研究表明紡絲法制備過(guò)程中，銅輪轉(zhuǎn)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(guān)。纖維最佳工藝參數(shù)為加熱功率~20kW，銅輪轉(zhuǎn)速~24m/s，進(jìn)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(guò)程由一個(gè)改變成兩個(gè)。纖維的橫截面晶粒由形核區(qū)域向自由表面生長(zhǎng)，生長(zhǎng)方向?yàn)?001>方向，形成扇形織構(gòu)，制備后期逐漸演化為<001>垂直于纖維平面部分的織構(gòu)，該種織構(gòu)有利于磁感生應(yīng)變的獲得。制備態(tài)纖維內(nèi)部奧氏體呈現(xiàn)花呢應(yīng)變襯度特征并存在大量位錯(cuò)，馬氏體界面平直并存在多級(jí)孿晶結(jié)構(gòu)。
　　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(xì)小，可達(dá)到納米量級(jí)。優(yōu)化晶粒長(zhǎng)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(yīng)力誘發(fā)馬氏體臨界應(yīng)力和滯后顯著降低，超彈性恢復(fù)率提高，相變平臺(tái)斜率和Clausius-Clapeyron關(guān)系斜

4、率降低，說(shuō)明超彈性更容易得到，計(jì)算得到理論最大應(yīng)變?yōu)?.018，與制備態(tài)相當(dāng)。有序化纖維超彈性穩(wěn)定性更高。纖維中得到完全恢復(fù)的單程形狀記憶效應(yīng)，并且發(fā)現(xiàn)熱處理可以改變纖維中初始馬氏體取向，導(dǎo)致單程形狀記憶曲線恢復(fù)路徑不同，因此可反過(guò)來(lái)作為依據(jù)判斷外界條件對(duì)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(yīng)變繼續(xù)增加，該現(xiàn)象在拉伸最大載荷增加或訓(xùn)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(fù)過(guò)程出現(xiàn)應(yīng)變?yōu)樨?fù)值現(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(yīng)，穩(wěn)定性高。少晶纖維在較低應(yīng)力下即可得到大于多晶纖維~3-6倍的相變應(yīng)變。應(yīng)力熱循環(huán)訓(xùn)練和超彈性訓(xùn)練均能提高孿晶界可動(dòng)性以及降低應(yīng)力誘發(fā)馬氏體臨界應(yīng)力。馬氏體狀態(tài)少晶纖維應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈現(xiàn)多臺(tái)階現(xiàn)象，應(yīng)力熱循環(huán)訓(xùn)練有效地將少晶纖維孿晶界運(yùn)動(dòng)臨界應(yīng)力由~20MPa減少至~9MPa，為磁感生應(yīng)變的獲得奠定基礎(chǔ)。
　　調(diào)節(jié)Ni-Mn-Ga纖維成分至

6、e/a=7.7，有序化后達(dá)到磁-結(jié)構(gòu)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(dá)到磁-結(jié)構(gòu)耦合狀態(tài)，真空無(wú)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(wú)Mn有序化寬化結(jié)構(gòu)相變寬度（~15.2-20.6K），獲得部分磁-結(jié)構(gòu)耦合狀態(tài)（NMG2C）。纖

7、維的高比表面積以及有序化熱處理對(duì)缺陷和內(nèi)應(yīng)力的消除降低了纖維的熱滯后和磁滯后。磁場(chǎng)誘發(fā)NMG4C纖維由順磁態(tài)奧氏體向鐵磁態(tài)馬氏體轉(zhuǎn)變，而NMG2C纖維由鐵磁態(tài)奧氏體向鐵磁態(tài)馬氏體轉(zhuǎn)變，從而導(dǎo)致磁熵變值的差別。
　　50kOe下，磁-結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)溫度寬化后的磁-結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)部分耦合狀態(tài)NMG2C纖維在~337和~365K出現(xiàn)兩個(gè)磁熱峰，分別為~-5.2J/kgK和~-5.3J/kgK，兩峰過(guò)渡區(qū)磁熱值為~4.0J/kgK，三者共同作用形成一個(gè)大幅度寬化的TFWHM~60K，導(dǎo)致其RCnet值高達(dá)~24