Ni-Mn-Ga记忆合金纤维组织结构及热驱动/磁热特性

摘要

本文经过成分设计和制备工艺优化，采用纺丝法成功制备了一维小尺寸多晶Ni-Mn-Ga纤维，对制备态和热处理过程中纤维的组织结构与性能演化与热处理和训练处理对其热驱动特性和孪晶界运动特性的影响，以及不同磁-结构耦合状态设计与磁热效应等相关方面进行了研究。
　　研究表明纺丝法制备过程中，铜轮转速和加热功率影响产物形态，纤维直径均匀性与瑞利波的形成有关。纤维最佳工艺参数为加热功率~20kW，铜轮转速~24m/s，进给速率60~90μm/s，可制备得到连续、直径均匀的“D”形横截面纤维。纤维直径多数分布在45-65μm，优先形核区域随制备过程由一个改变成两个。纤维的横截面晶粒由形核区域向自由表面生长，生长方向为<001>方向，形成扇形织构，制备后期逐渐演化为<001>垂直于纤维平面部分的织构，该种织构有利于磁感生应变的获得。制备态纤维内部奥氏体呈现花呢应变衬度特征并存在大量位错，马氏体界面平直并存在多级孪晶结构。
　　纤维有序化热处理后成分损失很小、均匀性提高；晶粒尺寸与形态不发生改变；马氏体相变温度和Tc均升高，相变宽度和相变滞后均降低。有序化可改变马氏体类型与单胞体积、提高纤维磁性能和磁晶各向异性能，但是由于晶粒尺寸不变，孪晶片层依然细小，可达到纳米量级。优化晶粒长大热处理工艺得到完全竹节状晶粒形态的纤维，相邻竹节晶粒之间取向差较大，马氏体孪晶片层粗大、清晰。
　　有序化纤维的应力诱发马氏体临界应力和滞后显著降低，超弹性恢复率提高，相变平台斜率和Clausius-Clapeyron关系斜率降低，说明超弹性更容易得到，计算得到理论最大应变为0.018，与制备态相当。有序化纤维超弹性稳定性更高。纤维中得到完全恢复的单程形状记忆效应，并且发现热处理可以改变纤维中初始马氏体取向，导致单程形状记忆曲线恢复路径不同，因此可反过来作为依据判断外界条件对初始马氏体的取向的影响。有序化纤维中c轴倾向于沿轴向排列，从而形状记忆曲线升温应变继续增加，该现象在拉伸最大载荷增加或训练之后减弱。少晶纤维中出现c轴倾向于沿径向排列变体，形状记忆曲线恢复过程出现应变为负值现象。
　　多晶纤维在拉伸条件下拥有完全可逆的双程形状记忆效应，稳定性高。少晶纤维在较低应力下即可得到大于多晶纤维~3-6倍的相变应变。应力热循环训练和超弹性训练均能提高孪晶界可动性以及降低应力诱发马氏体临界应力。马氏体状态少晶纤维应力-应变曲线呈现多台阶现象，应力热循环训练有效地将少晶纤维孪晶界运动临界应力由~20MPa减少至~9MPa，为磁感生应变的获得奠定基础。
　　调节Ni-Mn-Ga纤维成分至e/a=7.7，有序化后达到磁-结构相变耦合状态（NMG4C）。Ni50Mn25Ga25-xCux（x=3.8at.％）降低了Tc并提高了马氏体相变温度，达到磁-结构耦合状态，真空无Mn有序化热处理后得到沿纤维表面至内部呈梯度的Mn元素成分分布，使得相变宽度增加（NMGC1C）。调节Ni-Mn-Ga纤维成分至Tc-Ap≈28K，并且采用真空无Mn有序化宽化结构相变宽度（~15.2-20.6K），获得部分磁-结构耦合状态（NMG2C）。纤维的高比表面积以及有序化热处理对缺陷和内应力的消除降低了纤维的热滞后和磁滞后。磁场诱发NMG4C纤维由顺磁态奥氏体向铁磁态马氏体转变，而NMG2C纤维由铁磁态奥氏体向铁磁态马氏体转变，从而导致磁熵变值的差别。
　　50kOe下，磁-结构耦合状态NMG4C纤维磁熵变Sm最大值在~372K附近，为~-24.9J/kgK，优于Ni-Mn-Ga单晶，但是其制冷温度区间TFWHM集中在~3K范围，大大降低了制冷能力RCnet(50kOe:48.3J/kg)。结构温度宽化后的磁-结构耦合状态NMGC1C纤维Sm的最大值在~356K附近，为~-8.3J/kgK，然而其TFWHM增加至~13K，使得RC大大增加（50kOe:~78J/kg）。磁-结构部分耦合状态NMG2C纤维在~337和~365K出现两个磁热峰，分别为~-5.2J/kgK和~-5.3J/kgK，两峰过渡区磁热值为~4.0J/kgK，三者共同作用形成一个大幅度宽化的TFWHM~60K，导致其RCnet值高达~240J/kg，高于目前所报道的所有镍锰基合金的值。

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第1章 绪 论

1.1课题背景及研究的目的和意义

1.2Ni-Mn-Ga合金结构与相变

1.3Ni-Mn-Ga合金热驱动特性

1.4Ni-Mn-Ga合金磁感生应变

1.5镍锰基合金磁热效应

1.6Ni-Mn-Ga纤维制备方法

1.7Ni-Mn-Ga合金的合金化

1.8本文的研究目的和主要研究内容

第2章 材料制备及分析测试方法

2.1试验材料

2.2纤维制备与热处理方法

2.3分析测试研究方法

第3章 Ni-Mn-Ga纤维制备及热处理过程组织和性能演化

3.1引言

3.2Ni-Mn-Ga纤维制备工艺优化

3.3Ni-Mn-Ga纤维制备过程中的组织结构演化

3.4有序化热处理对Ni-Mn-Ga纤维组织和性能的影响

3.5Ni-Mn-Ga纤维晶粒长大热处理过程组织和性能研究

3.6本章小结

第4章 Ni-Mn-Ga纤维热驱动特性研究

4.1引言

4.2Ni-Mn-Ga纤维超弹性性能研究

4.3Ni-Mn-Ga纤维单程形状记忆效应唯象解释

4.4Ni-Mn-Ga纤维双程形状记忆效应研究

4.5热-机械训练对多晶Ni-Mn-Ga纤维孪晶运动的影响

4.6少晶态纤维孪晶界运动特性

4.7本章小结

第5章 Ni-Mn-Ga纤维磁/结构相变设计及磁热性能演变规律研究

5.1引言

5.2纤维磁/结构相变设计

5.3磁-结构耦合状态纤维磁热效应研究

5.4磁-结构部分耦合状态纤维磁热效应研究

5.5本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其他成果

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