磁性形状记忆合金
磁形状记忆合金在电磁器件中的应用
磁形状记忆合金在电磁器件中的应用磁形状记忆合金（magnetostrictive shape memory alloy, MSSMA）是一种具有特殊形状记忆特性的材料，它在电磁器件中具有广泛的应用前景。
本文将从原理、性能及其应用等方面进行分析和阐述。
一、磁形状记忆合金的原理磁形状记忆合金是一种能够通过磁场作用实现形状记忆的材料，它能够在外界磁场的作用下发生形状变化。
磁形状记忆合金的主要原理是磁场诱导产生应力，从而引发形状变化。
通过控制外加磁场的大小和方向，可以实现对磁形状记忆合金的形状、尺寸和位置的精确控制。
二、磁形状记忆合金的性能1. 磁致伸缩效应：磁形状记忆合金在外加磁场的作用下会发生尺寸的快速变化，即磁致伸缩效应。
这种效应使得磁形状记忆合金在电磁器件中能够实现精确的位置调节和控制。
2. 形状记忆特性：磁形状记忆合金在经历塑性变形后，通过对其加热或应用磁场的方式，可以恢复到最初的形状。
这种形状记忆特性使得磁形状记忆合金在电磁器件中具有很大的应用潜力。
3. 磁性特性：磁形状记忆合金不仅具有形状记忆特性，还具有磁性特性。
它可以用于制造磁传感器、电磁阀门和电磁悬浮装置等电磁器件。
三、磁形状记忆合金的应用1. 磁传感器：利用磁形状记忆合金的形状变化特性，可以制造高灵敏度的磁传感器。
这种磁传感器可以广泛应用于磁场测量、位移检测和应力监测等领域。
2. 电磁阀门：磁形状记忆合金的形状记忆特性使得它可以被应用于制造电磁阀门。
这种电磁阀门可以实现精确的开关控制，具有较高的响应速度和可靠性。
3. 电磁悬浮装置：磁形状记忆合金的磁致伸缩效应可以被用于制造电磁悬浮装置，用于实现物体的悬浮和移动。
这种装置在高速列车、风力发电机和精密仪器等领域具有广泛的应用前景。
结语：磁形状记忆合金作为一种具有特殊形状记忆特性的材料，在电磁器件中具有广泛的应用前景。
通过对磁形状记忆合金的原理和性能进行深入研究，可以更好地发挥其在电磁器件中的优势，并探索更多的应用领域。
形状记忆合金的机理及其应用
形状记忆合金的机理及其应用形状记忆合金（Shape Memory Alloy，SMA）是指在外力驱动下可以产生形状记忆效应的金属合金，其最重要的特性是在一定范围内可以自恢复原始形状，同时具备优异的力学性能、良好的耐腐蚀性能及高温稳定性等优点。
SMA最早是在1962年由William Buehler 提出的，自此以后，SMA就被广泛研究并应用于不同领域。
SMA的特性是由其所具备的晶体结构和相变特性所决定的，SMA常见的结构类型有Cu-Zn-Al、Ni-Ti、Cu-Al-Ni、Fe-Mn-Si等。
其中，最为常用的是Ni-Ti SMA，这种合金具有良好的形状记忆效应和超弹性特性，是目前最为常用的SMA之一。
当SMA处于高温相（austenite相）时，晶体结构稳定，SMA可以被加工成任意形状。
当外界作用力使SMA在相变温度下降到低温相（martensite相），晶体结构失稳，原本具有的形状记忆效应就会被激发出来。
这种相变是可逆的，可以产生与消失形状记忆效应，从而使SMA表现出自修复、自调整和自适应等功能，被广泛应用于机械、微机电、汽车、医疗等领域。
SMA在机械系统中有广泛应用，例如：在阀门、制动系统、传感器和运动控制系统中使用的SMA弹簧、阀杆、马达和块体，以及金属粉末成型制造的SMA零件，可以安装在汽车和航空航天系统上，在温度和振动变化等条件下，能保障系统的性能稳定和安全可靠。
SMA在医疗系统中的应用也非常广泛，例如利用SMA刀具控制机械手的运动，可以在手术中进行精确的切割和缝合。
同时，利用SMA在不同温度下的形状变化，可以制造热敏支架、热敏钩子和热敏衬垫等医疗器械，可以在体内完成自动放置和释放、自由展开和收缩等操作，很好地解决了手术中的一些难题。
SMA还广泛应用于微纳机电系统（MEMS）中，例如利用SMA薄片可控制悬臂梁的挠度和弯曲，从而实现无线通信、火灾预警、生物传感和关节外科等微型器件。
此外，利用SMA 的变形能力和自恢复特性，也可以制造可变形的电缆、活塞和电子插头等调节设备，实现快速、准确、稳定和可靠的微调控制。
形状记忆合金介绍
TiNi合金与CuZnAl合金性能对比 合金类型 恢复应变 恢复应力 循环寿命 TiNi合金 最大8% 最大400MPa 105(ε=0.02) 107(ε=0.005) CuZnAl合金 最大4% 最大200MPa 102(ε=0.02) 103(ε=0.005)
耐蚀性
加工性 记忆处理
良好
不良 较易
伪弹性应力应变示意图
29
• 在D点之前应力被取消，例如在点C’，应变通过 几步可恢复：
C’F段：马氏体的弹性恢复； FG段：马氏体向奥氏体转变后引起的应变恢复，F点 是卸载中马氏体能存在的最大应力，在该点开始发生 马氏体向奥氏体的逆相变，随后马氏体量不断减少直 到奥氏体完全恢复(G点)， GH段：奥氏体的弹性恢复。
钢的马氏体转变
16
• 为使A(母相)-M(马氏体相)相变产生，M相的化学自 由能必须低于A相。 • 相变需要驱动力，不过冷到适当低于T0(A相和M相 化学自由能达到平衡)的温度，相变不能进行， • 逆相变也需驱动力，必须过热到适当高于T0 的温度 ，相变才能进行。
马氏体相和母相化学 自由能差随温度变化 与马氏体相变的关系
30/100
-140/100 -150/100 -120/30 -180/-10
NiAl
TiNi FePt FePd MoCu
36-38at%Al
49-51at%Ni 25at%Pt 30at%Pd 5-35at%Cu
-100/100
-50/100 /-130 /-100 -250/180
11
23-28at%Au 45-47at%Zn
目前，已在Ni48.8Mn29.7Ga21.5单晶中得到约10%的可恢复 磁感生应变。
智能材料的新秀——磁性形状记忆合金
智能材料的新秀——磁性形状记忆合金磁性形状记忆合金是近十多年发展起来的一类新型形状记忆合金。
这类合金同时具有热弹性马氏体相变和铁磁性转变，所以其形状记忆效应可以由磁场控制。
传统的温控形状记忆合金应变大但响应慢，现有的巨磁致伸缩、压电材料虽然响应快，但应变小。
相比之下，磁性形状记忆合金兼具应变大、响应快的综合优点。
此外，还具有磁热、磁阻等丰富的物理效应，因而被广泛认为是下一代智能材料的首选，有望在航空航天、机械电子、能源环境、信息存储、生物医学等高新技术领域得到重要应用。
磁性形状记忆合金具有以下三个重要特性。
一、丰富的磁-结构相变特征—马氏体相变与磁性转变。
磁性形状记忆合金的马氏体相变不仅具有与传统形状记忆合金相似的热、应变、电阻等效应，而且还伴随有磁性强弱的变化，甚至磁性类型的演变。
这使磁性形状记忆合金呈现出丰富的磁-结构相变特征。
如铁磁马氏体-顺磁奥氏体。
即马氏体相变时结构与磁性转变共同发生，由此可以实现磁场诱发马氏体相变，并获得磁热、磁应变等多种物理特性。
在Ni-Mn-Ga、Ni-Fe-Ga，Fe-Mn-Ga等合金系中均发现了这种情况。
另外，也可以发生铁磁马氏体-顺磁马氏体-铁磁奥氏体-顺磁奥氏体的相变方式，由此可以获得磁场诱发奥氏体相变及其伴随的磁控形状记忆效应、巨磁阻、大磁热等丰富的物理效应，在Ni-(Co)-Mn-In、Ni-(Co)-Mn-X(X=Sn，Sb，Ga，Al)，Ni-Cu-Mn-Ga，Ni-Fe-Mn-Ga等合金系中均发现了这一现象。
二、磁场诱发孪晶再取向。
磁场诱发孪晶再取向现象最早发现时磁致应变只有0.2%，但这已与巨磁致伸缩材料和压电材料的最大应变值相当，因而立刻引起广泛的关注。
目前人们已经在磁性形状记忆合金中获得了6%和9.5%的超大磁致应变。
磁性形状记忆合金的马氏体相具有强磁晶各向异性，易磁化方向严格平行于马氏体晶格的某一个晶向轴或晶面。
当施加外磁场时，为降低磁晶各向异性能，孪晶界将以切变方式使择优变体的体积分数不断增加，从而实现孪晶再取向。
形状记忆合金的原理
形状记忆合金的原理
形状记忆合金（SMA）是一种具有特殊形状记忆性能的金属合金材料，它可以在受到外部刺激后恢复到其原始形状。
这种材料在工程、医学、航空航天等领域具有广泛的应用前景，因此其原理和特性备受关注。
形状记忆合金的原理主要基于固态相变和晶体结构的特殊性质。
在常温下，形
状记忆合金处于一种称为马氏体的相态，此时材料呈现出一种特定的形状。
当受到外部力或温度变化等刺激时，马氏体会发生相变，转变为奥氏体相，从而使材料发生形状变化。
一旦外部刺激消失，材料又会恢复到原始的马氏体相态，恢复原来的形状。
形状记忆合金的这种特殊性质主要源于其晶体结构的特殊性。
在马氏体相态下，形状记忆合金的晶体结构呈现出一种扭曲的形态，这种扭曲结构使得材料能够存储和记忆原始形状。
当马氏体发生相变为奥氏体时，晶体结构重新排列，从而导致材料形状发生变化。
而当外部刺激消失时，晶体结构又会重新排列回马氏体相态，使得材料能够恢复原来的形状。
除了形状记忆性能，形状记忆合金还具有超弹性和耐腐蚀等优良性能。
这使得
它在医学领域有着广泛的应用，例如用于支架和植入物等医疗器械。
在航空航天领域，形状记忆合金也可以用于制造具有自修复功能的材料，提高材料的使用寿命和安全性。
总的来说，形状记忆合金的原理基于固态相变和晶体结构的特殊性质，使得它
具有形状记忆、超弹性和耐腐蚀等优良性能。
这种材料在工程、医学、航空航天等领域有着广泛的应用前景，对于推动材料科学和工程技术的发展具有重要意义。
铁磁形状记忆合金
铁磁形状记忆合金铁磁形状记忆合金是一种特殊的合金材料，具有形状记忆效应和磁性特性。
它可以在外部磁场的作用下发生形变，并且在去除外部磁场后恢复原来的形状。
这种材料具有广泛的应用前景，在医学、航空航天、电子等领域有着重要的应用。
一、铁磁形状记忆合金的基本概念1.1 形状记忆效应形状记忆效应是指材料在经历一定温度、压力等条件下，可以记住并保持其特定形态，在受到外界刺激（如温度、压力等）时，能够自动恢复到原来的形态。
1.2 磁性特性铁磁形状记忆合金具有良好的铁磁性能，即在外部磁场作用下，可以发生明显的形变，并且在去除外部磁场后能够恢复原来的状态。
二、铁磁形状记忆合金的组成和制备方法2.1 组成铁磁形状记忆合金主要由Fe、Ni、Co等元素组成，其中Fe为主要元素，通常含量在50%以上。
同时，还可以添加一些其他元素，如Cu、Ti、Zr等，以调节其热处理温度和形状记忆效应。
2.2 制备方法铁磁形状记忆合金的制备方法主要有两种：一种是粉末冶金法，另一种是溶液法。
其中粉末冶金法是较为常用的方法，具体步骤包括原料混合、压制成型、烧结等。
三、铁磁形状记忆合金的特性和应用3.1 特性铁磁形状记忆合金具有以下特性：（1）具有良好的形状记忆效应和铁磁性能；（2）可以在外部磁场作用下发生明显的形变，并且在去除外部磁场后能够恢复原来的状态；（3）具有较高的抗腐蚀性和耐高温性能；（4）具有良好的可加工性和可塑性。
3.2 应用由于其特殊的物理和化学特性，铁磁形状记忆合金在医学、航空航天、电子等领域有着广泛的应用，具体包括：（1）医学领域：用于制造支架、植入物等医疗器械，可以根据人体温度和压力等条件自动调整形状，提高手术成功率。
（2）航空航天领域：用于制造飞行器、卫星等部件，可以根据外部磁场自动调整形状，提高飞行精度和安全性。
（3）电子领域：用于制造记忆合金阀门、开关等电子元器件，可以根据外部磁场自动控制通断状态，提高电路稳定性和可靠性。
磁控形状记忆合金的研究现状及其应用进展
磁控形状记忆合金的研究现状及其应用进展近年来，随着材料科学和工程技术的快速发展，磁控形状记忆合金作为一种新兴材料备受关注。
其在医疗、航天、汽车等领域具有广阔的应用前景。
本文将以磁控形状记忆合金为主题，对其研究现状及应用前景进行全面深入的探讨。
1. 磁控形状记忆合金概述磁控形状记忆合金是一种集合形状记忆效应和磁性效应于一体的智能材料。
它能够在外加磁场的作用下发生形状变化，并在去除磁场后恢复原始形状，具有重复使用的特点。
这种材料具有快速响应、低能耗、高效率的优点，因而受到了广泛关注。
2. 磁控形状记忆合金的研究现状目前，国际上关于磁控形状记忆合金的研究主要集中在以下几个方面：- 磁控形状记忆合金的微观结构和力学性能研究：通过透射电子显微镜、原子力显微镜等先进技术，对磁控形状记忆合金的微观组织和形变机制进行深入研究，揭示其力学性能的内在规律。
- 磁控形状记忆合金的磁控效应研究：通过改变外加磁场的强度和方向，探索磁控形状记忆合金在不同磁场下的形状变化规律，并优化其磁控效应。
- 磁控形状记忆合金的稳定性和循环使用性能研究：在实际应用中，磁控形状记忆合金需要具有较高的稳定性和循环使用性能。
研究人员也致力于提高磁控形状记忆合金的稳定性和循环寿命。
3. 磁控形状记忆合金的应用进展磁控形状记忆合金在各个领域都有着广泛的应用前景：- 医疗领域：磁控形状记忆合金在医疗器械领域有着广泛的应用，如支架、植入物等。
其能够通过外加磁场实现形状变化，适应患者不同部位的形态，具有较高的医疗价值。
- 航天领域：磁控形状记忆合金可以用于太空飞行器的折叠展开结构、自修复结构等，提高太空飞行器的使用寿命和安全性。
- 汽车领域：磁控形状记忆合金可用于汽车发动机的温度控制装置、变形结构等，提高汽车的燃油效率和安全性。
4. 个人观点和总结磁控形状记忆合金作为一种新兴材料，具有着广阔的应用前景和发展空间。
然而，在其研究和应用中仍然存在一些挑战，如稳定性、循环使用性能等方面还需要不断加强研究。
铁磁形状记忆合金
铁磁形状记忆合金铁磁形状记忆合金（Fe-SMA）是一种具有形状记忆性和磁性的合金材料。
它可以在外加磁场的作用下改变自身形状，并且在去除外加磁场后能够恢复原来的形状。
因此，它被广泛应用于机械、电子、医疗等领域。
铁磁形状记忆合金的磁性来源于其组成元素中的铁元素。
铁磁形状记忆合金的晶体结构可以分为两种：一种是基于铁素体相的合金，另一种是基于奥氏体相的合金。
这两种结构的合金材料具有不同的磁性和形状记忆性能。
铁磁形状记忆合金的形状记忆性能是由它的微观组织和相变行为决定的。
在室温下，铁磁形状记忆合金的晶体结构处于低温相状态，它的形状是一种固定的结构。
当外加磁场作用于合金材料时，它的晶体结构发生相变，从低温相变为高温相，此时它的形状发生改变。
当外加磁场去除后，合金材料会重新回到低温相，恢复原来的形状。
铁磁形状记忆合金的磁性和形状记忆性能使它在机械领域得到广泛应用。
例如，在微机械系统中，铁磁形状记忆合金可以用于制造微型电机和微型执行器。
在电子领域，它可以用于制造传感器、开关、阀门等元器件。
在医疗领域，铁磁形状记忆合金可以用于制造支架、夹具等医疗器械。
铁磁形状记忆合金的应用还在不断扩展。
例如，在航空航天领域，铁磁形状记忆合金可以用于制造变形机构和控制系统。
在能源领域，它可以用于制造高效的发电机和电池。
在智能材料领域，铁磁形状记忆合金被广泛应用于制造自适应结构和智能材料。
铁磁形状记忆合金是一种具有形状记忆性和磁性的合金材料，具有广泛的应用前景。
它的磁性和形状记忆性能使它在机械、电子、医疗等领域得到广泛应用，并且还在不断扩展新的应用领域。
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二、文献综述
1.磁性形状记忆合金
磁性形状记忆合金是既受温度控制的热弹性记忆效应，同时也具有受磁场控制的磁性形状记忆效应。
磁性形状记忆合金具有很多优良的性能，如：高响应频率、大输出应力，磁致伸缩应变大等1，所以是一种理想的驱动和传感材料。
3. Heusler合金及其结构
Heusler合金是在研究MSMA中研究最多的一种合金，也是现在备受关注的一类功能材料，具有独特的磁性、半金属性、磁性形状记忆效应，有着广泛的应用前景。
Heusler合金是1903年，德国人F.Heusler第一次报道两种金属间化合物的磁性，这两种化合物是Cu2MnAl 和Cu2MnSn。
随后，英国人P. Webster 发表了一篇关于高有序度合金(Heusler 合金)的文章10
Heusler合金是一种金属间化合物，通常具有L21性结构，化学分子式为X2YZ，Z则是周期表右边B类IV族，及其两边的III 族和V族的元素。
X、Y 可以是元素周期表中钪、钛、矾、铬、锰、铁、钴、镍、铜等3d 元素以及排列在它们所在列中下面的扩展的过渡族元素，共有约30个。
Heusler 合金可以看成由四个面心立方结构的亚晶格沿对角线四分之一相互交叉而成。
X 和Y原子占据（A，C）以及B位，Z原子占据D位。
其中ABCD的坐标分别为A (0, 0, 0), B ( 1/4,1/41/4 , ), C ( 1/2,1/2 1/2, ) 和D (3/4 3/4,3/4 , )
图1.Heusler 合金晶体结构示意图
1.2 Heusler合金的结构和开发潜力
Heusler型合金是一种高度有序的金属间化合物，具有立方L21结构，空间
群为Fm3m，一般化学分子式为X2YZ。
所谓高度有序的结构，是指多种原子（本工作是三种或四种）按照一定的晶格点阵，各自占据自己的特有位置所形成的高化学有序结构。
在冶金学上，Heusler合金属于β相合金，严格的结构特点如图1.1(a)所示。
如果忽略原子种类的差别可以看到这一结构是体心立方排列。
计入原子种类后，我们看到X原子占据体心结构的顶角位置。
另外两种原子分别交叉占据相邻八个体心单元的体心位置，各自形成四面体结构，这就是传统Heusler 合金的L21结构。
广义而言，Heusler合金可以看成由四个面心立方结构的亚晶格沿对角线四分之一相互交叉而成，如图1.1(b)所示。
严格上说，Heusler合金不应称之为合金，而应为金属间化合物。
但由于历史原因，习惯上我们仍然不严格地称之为合金（本论文“合金”一词都按照习惯定义）。
图1.1(c)和图1.1(d)分别给出了严格定义的合金固溶体和从固溶体到金属间化合物的一种过渡结构—有序度相对较高些的B2结构。
从图中可见，如果X、Y、Z这些金属原子在四个亚晶格之间任意占位（图1.1(c)），则形成属于严格定义的合金固溶体。
而当其中X原子占据了自己特有的晶位，而其它两种原子仍然混乱占位时，形成的物质即为有序度相对高些的B2结构的金属间化合物。
当三种原子都严格占据自己特定的位置后，化学通式为X2YZ的物质形成如图1.1(a)所示的L21结构的化合物，即通常的Heusler合金，其结构有序度又提高一次。
严格说来，原子X所占据的晶位也并不是完全一样的，如果引入第四种原子，通式为XMYZ，使之均占据四种特定的晶位，则化合物的结构成为如图 1.1(b)所示的严格的四元高有序结构。
成为这个通式能够排列出的有序度最高的结构。
如果用空位取代上面四种原子通式XMYZ中的M，则结构仍然属于图1.1(b)的结构。
但习惯上将通式写成XYZ，历史上称之为半Heusler 合金，其实是有序度高于传统L21结构的一种金属间化合物。
(a) (b)
(c) (d)
图1.1 (a)高有序Heusler合金结构（L21结构），(b) Heusler结构的一般化模型，(c) 完全混乱的金属固溶体，(d)只有Y，Z原子混乱的过渡结构B2相。
Fig. 1.1. (a) The generalized Heusler structure with four interpenetrating f.c.c. sublattices A，B，
C and D. (b) Unit cells of the Mn2NiGa with cubic MnNiMnGa (L21) structure，and (c) MnMnNiGa structure. (d) Unit cells of the Mn2NiGa with tetragonal MnMnNiGa structure in the
(110) direction.
Heusler合金的化学通式为X2YZ。
适合这一通式中的X、Y是元素周期表中钪、钛、矾、铬、锰、铁、钴、镍、铜、锌以及排列在它们所在列中下面的所有扩展的过渡族元素，共有约30个。
Z则是周期表右边B类IV族，及其两边的III族和V族的元素。
由于它们的s-p电子的杂化状态，也被称为s-p元素，共有10个。
另外，镧系稀土元素也可以作为Y原子。
结合上面对Heusler合金结构的分析，简单的计算可以知道，上面列出的各种原子排列组合的结果可以有上万种。
前人的研究结果说明，材料的各种物理特性和应用功能与材料中原子排列的有序性密切相关。
虽然是同样的化学通式，同样的基本结构框架，但不同原子在高有序下，可以组成各种复杂多变的能带结构，因而繁衍出许多奇特的物理性质和可能的应用功能。
也就是说探索出新的高有序合金材料，就有可能发现新的功能材料或者新的物理特性和应用功能。
需要强调指出，到目前为止，在符合上述化学通式的各种原子组合中，已经合成的高有序化合物仅占其总数的1%，绝大多数的组合在高有序结构这一块是完全空白的。
本论文工作中，新型功能材料探索及其基本物理性质的研究期望，正是寄托在上述大量空白的元素组合可能形成高有序化这样的巨大活动空间。
希望开发出更多、更新的，具有各种应用功能的高有序合金。
但是，象1.1节中提到的，Heusler
合金的发现与研究已经有很长的历史了，常规的材料制备方法和研究思路已经不能够满足材料的进一步探索和开发。
那么，是否有可能采取反常规的办法，实现材料中原子的高有序化呢？本文作者所在的研究小组从1999年开始研究Heusler 合金，积累了丰富的实践经验，创造性的提出了“强制高有序”这一反常规的制备方法（在2.1中将详细阐述这一方法）来合成过去无法用传统方法合成的，或者开发新的Heusler型合金。
本工作将采取传统与反常规制备方法并用的方式，以第一性原理计算（在2.2中，将阐述这一基本理论）为指导，重点探索和开发具有铁磁性形状记忆效应或半金属（half-metal）特性的新型Heusler合金，并详细研究他们的相关特性。
另外，我们将合成一批新的Heusler合金，研究它们的磁学性质和其他物理特性，同时注意发现他们的新应用功能。