磁控形状记忆合金Ni2MnGa材料的解析模型及实验特性

Fig.1 Schematic diagram magnetically induced growth of the twin variant which is favorable orientation to
the external magnetic field (H1<H2
对于磁晶各向异性能大于或等于孪晶再取向 能（即孪晶界面的移动能）的磁性记忆合金，假 设其每个马氏体片由单一的孪晶变体构成，该孪 晶为单磁畴结构，且自发磁化强度（M）的择优 取向平行于外加磁场方向（H）。当合金处于外磁 场时，磁畴的自发磁化程度方向将转向外加磁场 方向，对孪晶界产生较大的压力。这时，如果各 向异性能较高而孪晶界面的界面迁移激活能较 低，孪晶界将发生移动，导致宏观变形的产生。 而在磁致伸缩机制中，当磁畴的磁化强度转向外 场方向时，不会导致取向的改变。
0 引言
形状记忆合金作为一种驱动材料已在许多领 域获得了广泛的应用，然而传统的形状记忆合金， 如 TiNi 基、Fe 基和 Cu 基合金等，虽具有较大的 可逆恢复应变和大的恢复力，但由于其受温度场 驱动，其响应频率较低，而电致和磁致伸缩材料 虽具有较高的响应频率，但可逆应变量较小[1~2]。 磁控形状记忆合金（Magnetically Controlled Shape
4. 结论
（1）本文分析了 MSMA 的变形机理，阐述 了材料产生大应变的微观机制。通过实验验证了 宏观应变不是马氏体-奥氏体相界的运动引起的， 而是孪晶界移动的结果；
（2）MSMA 是具有双向形状记忆效应的功 能材料，其变形率随预压力当磁场 达到一定值时，形变达到饱和值。
Fig.4 From model equation calculated strain vs. applied field curves
由图 3 中可以看出，在保持温度和压应力不 变的情况下，磁场强度较小时，变形率与所加磁 场强度大致成线性关系，变形率随磁场的增大而 增大，当磁场强度继续增大时，Ni2MnGa 的形变 率增长速度减慢，出现饱和特性。在温度和磁场 强度不变时，变形率随压应力的增加而减小，无 压应力时变形最大可达 3.6%，而当压应力达到 2.3MPa 时，变形率仅为 0.1%。通过实验发现，当 磁场消失时，压应力太小，Ni2MnGa 不能恢复到 原始状态而保持一定的形变率；而压力太大，形 变率又太小，且弹簧的动态性能较低。如何改变 恢复形变的方法和提高动态性能仍是我们在实际

磁控形状记忆合金 Ni2MnGa 材料的解析模型及实验特性
张庆新 1，2，王凤翔 2
（1 沈阳航空工业学院 自动控制系，辽宁 沈阳 110034 2 沈阳工业大学 电器控制技术研究所，辽宁 沈阳 110023） 摘 要：系统的阐述了磁控形状记忆合金（Magnetically Controlled Shape Memory Alloy 简称 MSMA） 的微结构、相变机理和形状记忆效应。利用自行设计的实验装置研究了 Ni2MnGa 合金样品在静态直流 下的应力、磁场和形变之间的关系，绘出了不同压应力下磁场强度与变形的实验曲线，给出了 O’Handley 解析热力学模型，并与实验结果进行了比较。实验结果证明，Ni2MnGa 合金变形率随着压应力的增加 而减小，随磁场强度的增加而增大。这为 Ni2MnGa 合金的实际应用打下了理论和实验基础。 关键词：磁控形状记忆合金 磁感生应变 解析模型 特性
可动顶杆和弹簧
力传感器 霍尔与温度传感器
可调螺母
涡流传感器
静止顶杆
NiMnGa 合金 铁芯线圈
图 2 实验装置样机照片 Fig.2 The prototype of test device
调节压应力的大小。由左侧力传感器及相应的测 量仪表读出压应力的值。同时，在气隙磁场中置 入霍尔传感器和温度传感器，以测量所加磁场大
2 磁场诱发应变的实验测试结果
2.1 MSMA特性测试装置的设计
本文应用的单晶马氏体 Ni2MnGa 合金是由芬 兰赫尔辛基 Adaptamat 公司提供的，样品的尺寸 5mm×5mm×20mm，晶体结构是沿磁场易轴(c 轴)，正交轴为长轴。
实验装置如图 2 所示，用铁心线圈产生一个 封闭磁路，然后在适当位置开一个气隙，把 Ni2MnGa 合金材料放入其中，使磁场垂直穿过。 Ni2MnGa 合金一端固定于静止顶杆，另一端自由 移动，伸长时推动可动顶杆，可动顶杆上套有恢 复弹簧，以给 Ni2MnGa 施加压应力，并通过螺母
因此，磁控形状记忆合金的形状记忆效应不 是通过温度的改变而是通过磁场变换达到的，也 就是说，在磁场作用下发生磁诱发相变，这个动 作是瞬时进行的。所以，磁控形状记忆合金不仅 具有普通形状记忆合金应变、应力大的优点，而 且具有反应迅速、响应频率高的优点，可以应用 于各种耦合系统、定位系统、减震器、力/位移传 感器、功率发生器等很多场合，有望成为智能材 料系统中首选的驱动器材料。
参数
测量值的范围 用于图中的值
Strain(%)
4
0 Mpa
0.35Mpa
0.80Mpa
3
1.2Mpa
1.9Mpa
2.3Mpa
2
1
0 0 150 300 450 600 750 900 Field(kA/m)
图 3 31℃时，Ni2MnGa 单晶在不同压应力时的磁 场诱发应变曲线
Fig. 3 The curve field-induced strain at various stresses at 31℃ temperature for Ni2mnGa single
Memory Alloy 缩写为 MSMA）是一种新型功能材 料，具有双向形状记忆和磁感生应变功能，可以 在磁场的作用下诱发马氏体相变或马氏体再取 向，从而产生较大的可恢复应变，弥补了传统记 忆合金响应频率慢，磁致伸缩材料应变量小的不 足，是一种理想的智能驱动材料，具有广阔的应 用前景[3~4]。
本文对磁控形状记忆合金机理进行了探 讨，并利用自行设计的实验装置研究了磁场、压
-2-
小及 Ni2MnGa 的实验温度，涡流传感器用来测量 材料的变形量，传感器在测量前均已标定完毕。
2.2 静态应力下的直流驱动
实验过程中通过改变励磁线圈的电流改变磁 场的大小，通过线圈发热给材料加热，可调螺母 改变压应力的大小。利用霍尔传感器、温度传感 器和涡流传感器分别测出磁场、温度和位移的大 小。
图 3 给出了 MSMA 单晶样品在 31℃时不同 轴向外应力时磁场诱发的测量结果。
Strain(%)

4
0MPa
3
0.2MPa
2
1.4MPa
1 0.0
2.1MPa
0.2 0.4 0.6 0.8 Field(MA/m)
图 4 模型公式近似计算的应变与外加磁场曲 线
基金项目：国家自然科学基金资助项目（50177019）；辽宁省教育厅青年基金项目（2004F109） 作者简介：张庆新（1970-），男河北涞水人，博士研究生，副教授，主要从事智能材料及智能控制系统的研究。
-1-

应力与形变的关系，给出了 MSMA 的 O’Handley 解析热力学模型，分析了直流下的实验特性曲线， 给出了相应的结论。这种实验方法和所得的结论 对新型智能材料的应用和微驱动技术具有重要意 义。
1 磁控形状记忆合金 MSMA 的磁驱动形
状记忆机制
K.Ullakko 等人[3，5~7]认为磁性记忆材料的磁 驱动记忆机制在于磁场诱发孪晶的再取向，其机 理类似于一般形状记忆合金中的应力诱发孪晶变 体的再取向，如图 1 所示。
双晶边界
双晶边界
H=0
双晶边界
H1
双晶边界
H2
(a)
(b)
(c)
图 1 磁场引起双晶变体生长并沿外加磁场最优取向示意图
The Analysis model and Experimental Characteristics of Magnetically Controlled Shape Memory Alloy Ni2MnGa
Zhang Qingxin1,2，Wang Fengxiang2
1. Department of Automatic Control, Shenyang Institute of Aeronautical Engeering, Shenyang 110034 China; 2. Research Institute of Electrical Control Technical, Shenyang University of Technology, Shenyang 110023,
设计执行器时需要解决的问题[8]。
3. MSMA孪晶界迁动的定量解析模型
O’Handley 指出[9~10]，孪晶界两侧变体间的 Zeenman 能差提供孪晶移动的驱动力，样品在磁 场作用下改变形状，实质上是引入磁场之后，系
表 1 单晶 Ni2MnGa 力学和磁参数的测量值及用于模 型计算的值
Tab.4 The measuring and calculating value for model of mechanic and magnetic property on Ni2MnGa single crystal
（3）虽然 O’Handley 模型与实验结果基本符 合，但当磁场强度达到一定值后，由模型决定的 磁感生应变量将随磁场的增大而减小，不会达到 饱和，与实验结果不符，说明模型比较简单，所 以建立比较满意的数学模型仍是 MSMA 研究的 主要内容之一。
2 s
H
2
−σ
Ce0
4KuCe0 C
不同温度下饱和磁化强度 M s 、饱和磁场强
度 H s 和磁晶各向异性常数 Ku 可以从对材料的
磁性研究中得出[4]。如图4是利用表1计算的不同
-3-

应力下与外加磁场的关系曲线,它是一条近似的曲 线。可见，随着磁场的增加，磁感生应变量增大， 而且应变随磁场的变化关系是非线性的，与实验 结果基本符合。