Магнитный сплав с памятью формы - Magnetic shape-memory alloy

Магнитные сплавы с памятью формы (MSMA), также называемые ферромагнитными сплавами с памятью формы (FSMA), особенно сплавы с памятью формы которые создают силы и деформации в ответ на магнитное поле. В эффект термической памяти формы был получен и в этих материалах.

Введение

Сплавы МСМ - это ферромагнитные материалы, которые могут создавать движение и силы в умеренных магнитных полях. Обычно MSMA представляют собой сплавы никеля, марганца и галлия (Ni-Mn-Ga).

А магнитно-индуцированная деформация около 0,2% было представлено в 1996 г. доктором Кари Уллакко и его коллегами из Массачусетского технологического института.[1] С тех пор усовершенствования производственного процесса и последующей обработки сплавов привели к деформации до 6% для коммерчески доступных монокристаллический Ni-Mn-Ga элементы МСМ,[2] а также до 10-12% и 20% для новых сплавов в стадии НИОКР.[3][4]

Большая магнитно-индуцированная деформация, а также короткое время отклика делают технологию MSM очень привлекательной для разработки инновационных приводов, которые будут использоваться в пневматике, робототехнике, медицинских устройствах и мехатронике.[5] Сплавы МСМ изменяют свои магнитные свойства в зависимости от деформации. Этот сопутствующий эффект, сосуществующий с срабатыванием, может быть полезен при разработке датчиков перемещения, скорости или силы и механических комбайны.[6]

Эффект магнитной памяти формы возникает при низких температурах. мартенситная фаза сплава, где элементарные ячейки, составляющие сплав, имеют четырехугольный геометрия. Если температура повышается за пределы мартенсита–аустенит температура превращения, сплав переходит в аустенитная фаза где элементарные ячейки имеют кубическую геометрию. При такой геометрии теряется эффект магнитной памяти формы.

Переход от мартенсита к аустениту вызывает силу и деформацию. Следовательно, сплавы МСМ можно также активировать термически, например сплавы с термической памятью формы (см., например, Никель-Титан (Ni-Ti ) сплавы).

Эффект магнитной памяти формы

Механизм, ответственный за большую деформацию сплавов МСМ, - это так называемый магнитно-индуцированная переориентация (МИР), и это схематично показано на рисунке.[7] Как и другие ферромагнитные материалы, сплавы МСМ обладают макроскопическим намагничивание при воздействии внешнего магнитного поля, возникающего в результате совмещения элементарных намагниченностей вдоль направления поля. Однако, в отличие от стандартных ферромагнитных материалов, выравнивание достигается геометрическим вращением элементарных ячеек, составляющих сплав, а не вращением векторов намагниченности внутри ячеек (как в магнитострикция ).

Принцип работы магнитной памяти формы. Обратите внимание, что деформационный перегиб, показанный на рисунке, приведен только в целях иллюстрации, в то время как в реальных материалах перегиб составляет <4 °.

Подобное явление происходит, когда сплав подвергается воздействию внешней силы. Макроскопически сила действует как магнитное поле, способствуя вращению элементарных ячеек и достигая удлинения или сжатия в зависимости от ее применения в базовой системе координат. Процессы удлинения и сжатия показаны на рисунке, где, например, удлинение достигается магнитным способом, а сжатие - механическим.

Вращение ячеек - следствие большого магнитная анизотропия сплавов МСМ и высокой подвижности внутренних областей. Проще говоря, элемент MSM состоит из внутренних областей, каждая из которых имеет разную ориентацию элементарных ячеек (области показаны на рисунке зеленым и синим цветами). Эти регионы называются вариантами-близнецами. Приложение магнитного поля или внешнего напряжения сдвигает границы вариантов, называемых двойные границы, и, таким образом, поддерживает тот или иной вариант. Когда элемент полностью сжат или полностью удлинен, он образован только одним вариантом, и говорят, что он находится в единовариантное состояние. Намагниченность элемента МСМ в фиксированном направлении различается, если элемент находится в состоянии сжатия или в состоянии единственного варианта удлинения. Магнитная анизотропия - это разница между энергией, необходимой для намагничивания элемента в состоянии единственного варианта сжатия и в состоянии единственного варианта удлинения. Величина анизотропии связана с максимальной производительностью сплава МСМ и, следовательно, с доступной деформацией и силой, которые можно использовать для приложений.[8]

Свойства

Основные свойства эффекта МСМ для коммерчески доступных элементов приведены в [9] (где описаны другие аспекты технологии и связанных приложений):

  • Напряжение до 6%
  • Максимум. создаваемое напряжение до 3 МПа
  • Минимальное магнитное поле для максимальной деформации: 500 кА / м
  • Полная деформация (6%) до нагрузки 2 МПа
  • Производительность на единицу объема около 150 кДж / м ^ 3
  • Энергетическая эффективность (преобразование между входной магнитной энергией и выходной механической работой) около 90%
  • Напряжение внутреннего трения около 0,5 МПа
  • Магнитная и термическая активация
  • Рабочие температуры от -40 до 60 ° C
  • Изменение магнитной проницаемости и электросопротивления при деформации

Разработка сплавов

Стандартные сплавы Никель -Марганец -Галлий (Ni-Mn-Ga) сплавы, которые исследуются с тех пор, как в 1996 году был опубликован первый соответствующий эффект МСМ.[1] Другие исследуемые сплавы: Утюг -Палладий (Fe-Pd) сплавы, сплавы никель-железо-галлий (Ni-Fe-Ga) и несколько производных основного сплава Ni-Mn-Ga, которые дополнительно содержат железо (Fe), кобальт (Co) или медь (Cu). . Основная мотивация непрерывных разработок и испытаний новых сплавов заключается в достижении улучшенных термомагнитомеханических свойств, таких как более низкое внутреннее трение, более высокая температура превращения и более высокая температура Кюри, что позволило бы использовать сплавы МСМ в нескольких Приложения. Фактически, реальный температурный диапазон стандартных сплавов составляет до 50 ° C. Недавно был представлен сплав с температурой 80 ° C.[10]

Приложения

Приводные элементы MSM могут использоваться там, где требуется быстрое и точное движение. Возможные области применения: робототехника, производство, медицинская хирургия, клапаны, демпферы, сортировка.[9]

использованная литература

  1. ^ а б Уллакко, К. (1996). «Магнитно-регулируемые сплавы с памятью формы: новый класс материалов для приводов». Журнал материаловедения и производительности. 5 (3): 405–409. Дои:10.1007 / BF02649344. ISSN  1059-9495.
  2. ^ Уилсон, Стивен А .; Журден, Рено П. Дж .; Чжан, Ци; Дори, Роберт А .; Боуэн, Крис Р .; Вилландер, Магнус; Вахаб, Камар Ул; Вилландер, Магнус; Аль-Хилли, Сафаа М. (21.06.2007). «Новые материалы для микромасштабных датчиков и исполнительных механизмов: инженерный обзор». Материаловедение и инженерия: R: Отчеты. 56 (1–6): 1–129. Дои:10.1016 / j.mser.2007.03.001.
  3. ^ Созинов, А .; Lanska, N .; Сорока, А .; Цзоу, В. (14 января 2013 г.). «12% деформации, вызванной магнитным полем, в немодулированном мартенсите на основе Ni-Mn-Ga». Письма по прикладной физике. 102 (2): 021902. Дои:10.1063/1.4775677. ISSN  0003-6951.
  4. ^ Pagounis, E .; Szczerba, M. J .; Чулист, Р .; Лауфенберг, М. (2015-10-12). «Большая работа, индуцированная магнитным полем, в семислойном модулированном мартенсите NiMnGa». Письма по прикладной физике. 107 (15): 152407. Дои:10.1063/1.4933303. ISSN  0003-6951.
  5. ^ Т. Шипп, Метод моделирования для проектирования и разработки приводов с магнитной памятью формы, докторская диссертация, Университет Глостершира, 2015.
  6. ^ Караман, И .; Basaran, B .; Karaca, H.E .; Карсилаян, А. И .; Чумляков Ю.И. (23.04.2007). «Сбор энергии с использованием механизма переориентации мартенситного варианта в сплаве с магнитной памятью формы NiMnGa». Письма по прикладной физике. 90 (17): 172505. Дои:10.1063/1.2721143. ISSN  0003-6951.
  7. ^ Фэлер, Себастьян (23 августа 2007 г.). "Введение в исполнительные механизмы сплавов с магнитной памятью формы". Транзакции ECS. 3 (25): 155–163. Дои:10.1149/1.2753250. ISSN  1938-6737.
  8. ^ Л. Страка, Магнитные и магнитомеханические свойства сплавов Ni-Mn-Ga с магнитной памятью формы, Докторская диссертация, Университет Аалто, 2007.
  9. ^ а б «Сеть МСМ». Сеть МСМ. Получено 2016-11-16.
  10. ^ Pagounis, E .; Чулист, Р .; Szczerba, M. J .; Лауфенберг, М. (15.07.2014). «Активация высокотемпературной магнитной памяти формы в монокристалле Ni – Mn – Ga». Scripta Materialia. 83: 29–32. Дои:10.1016 / j.scriptamat.2014.04.001.