鐵磁形狀記憶合金(FSMAs)是一種可在磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下變形的材料，在作動(dòng)器、傳感器、振動(dòng)能量收集器等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。Ni2MnGa Heusler合金是FSMAs的原型。它們表現(xiàn)出從鐵磁奧氏體到鐵磁馬氏體的馬氏體轉(zhuǎn)變(MT)，并伴有飽和磁化強(qiáng)度的微小變化。在馬氏體狀態(tài)下，Ni-Mn-Ga合金呈現(xiàn)出層次化和高度可移動(dòng)的孿晶結(jié)構(gòu)，孿晶應(yīng)力降低到0.05 MPa左右。由于FSMAs具有很強(qiáng)的磁彈性耦合特性，在外加磁場(chǎng)作用下，F(xiàn)SMAs會(huì)產(chǎn)生1-3 MPa的等效單軸應(yīng)力，其大小足以引起晶界運(yùn)動(dòng)，從而產(chǎn)生巨磁場(chǎng)誘導(dǎo)應(yīng)變效應(yīng)。在多晶情況下，由于相鄰晶粒的約束阻礙了孿晶界運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致了低磁感生應(yīng)變(MFIS)效應(yīng)，雖然已提出了不同的方法來提高M(jìn)FIS，但是仍有困難需解決。最近，出現(xiàn)新的方法來設(shè)計(jì)磁應(yīng)變活性材料，通過使用單晶顆粒，制備了Ni-Mn-Ga/聚合物復(fù)合材料，形成了5M馬氏體，但是對(duì)該類型復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)和變形機(jī)制尚不清晰。

日本東京工業(yè)大學(xué)的研究人員制備了單晶Ni49.9Mn28.5Ga21.6 (SC Ni-Mn-Ga)鐵磁形狀記憶合金顆粒，合成了硅橡膠和含20%SC Ni-Mn-Ga顆粒的復(fù)合材料，探討了該復(fù)合材料的組織結(jié)構(gòu)。相關(guān)論文以題為“Large magnetostrains of Ni-Mn-Ga/silicone composite containing system of oriented 5M and 7M martensitic particles”發(fā)表在Scripta Materialia。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2021.114265

通過電弧熔煉制備Ni49.9Mn28.5Ga21.6 (±0.03 at.%)合金，冷卻后進(jìn)行1000℃×24h均勻化處理。將合金在350℃預(yù)熱10min，在100℃用研杵法分解成單晶顆粒，將SC Ni-Mn-Ga顆粒在800℃下熱處理1 h(爐冷)。采用溫度固化的硅膠單體、固化劑、20 %的Ni-Mn-Ga顆粒制備SC Ni-Mn-Ga/硅橡膠復(fù)合材料。

研究發(fā)現(xiàn)正向馬氏體轉(zhuǎn)變起始溫度(Ms)和結(jié)束溫度(Mf)分別為33℃和26℃；反馬氏體相變起始溫度(As)和結(jié)束溫度(Af)分別為39℃和43℃。SC Ni-Mn-Ga粒子在27℃時(shí)表現(xiàn)出5M和7M馬氏體相共存，而在39℃時(shí)，只存在5M馬氏體。MFIS的滯回行為是由粒子的缺陷結(jié)構(gòu)和復(fù)合材料中的空間排列影響的。在缺陷結(jié)構(gòu)下，單晶表面的劃痕和粗糙度會(huì)阻礙孿晶界的運(yùn)動(dòng)，因此表面無缺陷十分重要；空間排列與相鄰粒子對(duì)形狀有明顯影響。

圖1 鑄錠的SEM圖和元素分布

圖2 不同溫度下SC Ni-Mn-Ga的XRD結(jié)果

圖3 SC Ni-Mn-Ga顆粒/硅橡膠復(fù)合材料的形貌

圖4 不同磁場(chǎng)強(qiáng)度下復(fù)合材料的光學(xué)圖像

綜上所述，本研究制備了單晶Ni49.9Mn28.5Ga21.6(SC Ni-Mn-Ga)顆粒。在SC Ni-Mn-Ga/硅橡膠復(fù)合材料中可以實(shí)現(xiàn)4%的可逆低滯后MFIS。填充密度較低復(fù)合材料的磁應(yīng)變?cè)鰪?qiáng)主要是由于7M馬氏體的存在，其MFIS約為5M馬氏體的2倍。MFIS的場(chǎng)滯后減小被認(rèn)為是由于顆粒制備過程中損傷較小和填料體積分?jǐn)?shù)減小的結(jié)果。本文證實(shí)了磁應(yīng)變SCNi-Mn-Ga粒子/聚合物復(fù)合材料是一種很有前景的驅(qū)動(dòng)器材料。