專利名稱：一種具有磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)馬氏體相變效應(yīng)的磁性材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種形狀記憶材料，具有鐵磁性和雙向形狀記憶效應(yīng)，特別是涉及具有磁場(chǎng)可驅(qū)動(dòng)馬氏體相變的Ni38Fe9Co3Mn34Al16磁性材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
通常的形狀記憶合金在相對(duì)高溫下具有一種晶體結(jié)構(gòu)，以下稱為母相，而在相對(duì)低的溫度下自發(fā)變成另外一種晶體結(jié)構(gòu)，一般稱之為馬氏體相。當(dāng)從較高的溫度降溫到較低的溫度時(shí)，材料從母相轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體相，該相轉(zhuǎn)變叫做馬氏體相變。反過(guò)來(lái)，從相對(duì)低的溫度加熱材料，合金會(huì)從馬氏體相轉(zhuǎn)變?yōu)槟赶?，這種相反的相轉(zhuǎn)變稱為馬氏體逆相變。一般將馬氏體轉(zhuǎn)變的開始點(diǎn)和終點(diǎn)，分別稱為Ms點(diǎn)和Mf點(diǎn)，將馬氏體逆相變的開始和終點(diǎn)，分別稱為As點(diǎn)和Af點(diǎn)。如果Ms和As之間差值較小，比如為幾度或幾十度，材料的這種馬氏體相變被稱為熱彈性馬氏體相變。一般地，將某種合金材料在母相以確定的形狀冷卻，直到形成馬氏體相以后，再人為地改變其原有的形狀，然后，將合金材料升溫，直到轉(zhuǎn)變成奧氏體時(shí)，如果合金材料的形狀完全或部分地轉(zhuǎn)變?yōu)樵瓉?lái)的形狀，這種現(xiàn)象稱為形狀記憶效應(yīng)。另外，如果在同樣的上述溫度循環(huán)中，母相的形狀在降溫引起的相變時(shí)刻變形，再在隨后的升溫引起的逆相變時(shí)刻再變形，并且部分或全部地轉(zhuǎn)變成原來(lái)母相的形狀，被稱之為雙向形狀記憶效應(yīng)。一般形狀記憶合金元件形變被溫度和應(yīng)力變化控制，這導(dǎo)致其響應(yīng)頻率較低，且提升困難，而磁性形狀記憶合金的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變可以通過(guò)磁場(chǎng)控制，動(dòng)作響應(yīng)速度快，因此被廣泛用于各種〃智能〃型用途，如各種微機(jī)電器件等。在現(xiàn)有材料中，具有類似性質(zhì)的NiCoMnGa (見K.Ullakko, J.K.Huang,C.Kanter, V.V.Kokorin, and R.C.0，Handley, App1.Phys.Lett.69, 1966(1996).)、MnCoNiGa(見G.D.Liu, J.L.Chen, Z.H.Liu, X.F.Dai, and G.H.ffu,App1.Phys.Lett.87, 262504 (2005).)、NiCoMnIn(見 R.Kainuma, Y.1mano, ff.1to,Y.Sutou, H.Morito, S.0kamoto, 0.Kitakami, K.0ikawa, A.Fujita, T.Kanomata,and K.1shida, Nature (London) 439, 957 (2006).)、NiCoMnSb (見 R.Kainuma, Y.1mano, ff.1to, H.Morito, Y.Sutou, K.0ikawa, A.Fujita, K.1shida, S.0kamoto,and 0.Kitakami, App1.Phys.Lett.88，192513 (2006).)和 NiCoMnSb (見 S.Y.Yu,L.Ma, G.D.Liu, Z.H.Liu, J.L.Chen, Z.X.Cao, G.H.ffu, B.Zhang, and X.X.Zhang.App1.Phys.Lett.90, 242501 (2007).)合金中 Ga、In、Sn、Sb 元素均較為昂
貴，從制作實(shí)用智能器件，如微納驅(qū)動(dòng)器的角度來(lái)講成本較高。此外，NiCoMnGa，MnCoNiGa等材料的母相較脆，在相變過(guò)程中易出現(xiàn)碎裂，既不易制備又影響了其功能的穩(wěn)定性。NiMnAl是傳統(tǒng)的形狀記憶合金(見 S.Morito, T.Kakeshita, K.Hirata, and K.0tsuka, ActaMater.46，5377 (1998).)，其中Al的價(jià)格極為低廉且其延展性很好，但是它不具有磁性，限制了其在磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)方面的應(yīng)用。已有的NiCoMnAl雖然同樣可以實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)馬氏體相變(見 R.Kainuma, ff.1to, R.Y.Umetsu, K.0ikawa, and K.1shida, App1.Phys.Lett.93，091906 (2008))，但由于Co本身脆性很高，所以導(dǎo)致NiCoMnAl合金的韌性較低，不利于加工。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種具有磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)馬氏體相變效應(yīng)的磁性材料及其制備方法，用以克服現(xiàn)有的具有磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)馬氏體相變效應(yīng)的形狀記憶材料存在的韌性差，難以加工，且原料價(jià)格十分昂貴的缺陷。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采取的措施首先是一種具有磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)馬氏體相變效應(yīng)的磁性材料，其所述材料的化學(xué)式按原子百分比含量為:Ni38Fe9Co3Mn34Al16。其次是一種用于上述的具有磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)馬氏體相變效應(yīng)的磁性材料的制備方法，其所述方法按下列步驟進(jìn)行:
(I)稱量配比
按化學(xué)式為Ni38Fe9Co3Mn34Al16的原子百分比含量，稱取純度為99.90%以上的N1、Fe、Co、Mn和Al材料。(2)熔煉錠材
將上述步驟(I)按原子百分比含量稱量好的材料置于熔煉坩堝中，采用電弧熔煉方法獲得Ni38Fe9Co3Mn34Al16多晶，其熔煉條件為:在本底真空達(dá)到2X 10_3 Pa以下時(shí)，通入1.0
1.2MPa氬氣，整個(gè)熔煉過(guò)程樣品采用氬氣保護(hù)，熔煉電流100 A，每個(gè)樣品翻轉(zhuǎn)三次，共熔煉四次，熔煉成分均勻后，獲得Ni38Fe9Co3Mn34Al16磁性合金錠材。(3)快淬甩帶
將上述步驟(2)獲得的磁性合金錠材置入一端開口，另一端開有小孔的石英管中，將置有錠材的石英管安放到甩帶機(jī)爐腔內(nèi)，將爐腔抽真空到10_3 Pa以下后，向爐腔內(nèi)通入高純氬氣，使?fàn)t腔內(nèi)壓強(qiáng)達(dá)到0.05MPa，采用感應(yīng)加熱，使材料處于熔融狀，后從石英管上部吹入壓力為1.0 1.2MPa的高純氬氣，使熔融材料液體由小孔中噴射到高速旋轉(zhuǎn)的銅輪上快速甩出，其噴射的線速度為15 18 m/s，制得寬度為2 3mm，厚度為40 50 μ m的具有磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)馬氏體相變效應(yīng)的磁性帶材。實(shí)現(xiàn)本發(fā)明上述所提供的一種具有磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)馬氏體相變效應(yīng)的磁性材料及其制備方法，與現(xiàn)有技術(shù)相比，其直接帶來(lái)的和必然產(chǎn)生的優(yōu)點(diǎn)與積極效果在于:使用十分廉價(jià)的原料制備出具有磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)馬氏體相變效應(yīng)的磁性材料，其顯示磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)馬氏體相變效力的特征值dT/dH (單位磁場(chǎng)使相變溫度移動(dòng)的大小)可達(dá)到4.4K/T，這一數(shù)值與已有的造價(jià)較高的此類材料的驅(qū)動(dòng)效率相當(dāng)。且由于其韌性很高，易于加工，有利于實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用。本發(fā)明所提供的Ni38Fe9Co3Mn34Al16磁性形狀記憶合金具有廣泛的潛在用途，如用于動(dòng)作執(zhí)行器，溫度和/或磁性敏感元件，磁制冷器件和設(shè)備，磁存儲(chǔ)器，微型機(jī)電器件和系統(tǒng)等。本發(fā)明的原料價(jià)格低廉且易于儲(chǔ)備，并且使用常規(guī)的熔煉設(shè)備、快淬甩帶設(shè)備即可成功制備。因此，本發(fā)明的制備方法成本低，易于工業(yè)化生產(chǎn)。


圖1是本發(fā)明Ni38Fe9Co3Mn34Al16材料的X射線衍射譜。
圖2是本發(fā)明Ni38Fe9Co3Mn34Al16材料磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下相變溫度移動(dòng)dT/dH表現(xiàn)。圖3是本發(fā)明Ni38Fe9Co3Mn34Al16材料磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下的磁化曲線。
具體實(shí)施例方式下面對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方法作出進(jìn)一步的說(shuō)明。實(shí)施本發(fā)明所提供的一種具有磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)馬氏體相變效應(yīng)的磁性材料，其所述磁性材料的化學(xué)式按原子百分比含量為=Ni38Fe9Co3Mn34Al16，其中=NiMnAl合金的母相和馬氏體相皆無(wú)磁性，摻入Fe以后,Fe增強(qiáng)了母相中最近鄰Mn-Mn之間鐵磁交換作用而對(duì)馬氏體相中Mn-Mn交換作用影響極小，從而使得相變過(guò)程中磁化強(qiáng)度出現(xiàn)顯著變化，為實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)提供了有利條件。但由于Fe含量增加過(guò)程中相變熵也顯著增大，單純摻Fe無(wú)法實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)，所以再摻入少量的Co使得熵變?cè)黾虞^小的基礎(chǔ)上磁化強(qiáng)度大幅度增加，從而實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)馬氏體相變。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，甩帶快淬得到的薄帶可以去除摻雜所造成的雜相，最終實(shí)現(xiàn)Ni38Fe9Co3Mn34Al16磁性形狀記憶合金。現(xiàn)有的NiMnAl形狀記憶合金的形變只能被溫度和應(yīng)力變化控制，這導(dǎo)致其響應(yīng)頻率較低，且提升困難，而Ni38Fe9Co3Mn34Al16的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變可以通過(guò)磁場(chǎng)控制，動(dòng)作響應(yīng)速度快，可以被廣泛用于各種"智能"型用途，如磁存儲(chǔ)器和微機(jī)電器件的制作等。

表一給出了純度為99.90%的金屬元素的市場(chǎng)價(jià)格，通過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，與已有的NiCoMnGa, NiCoMnIn, NiCoMnSnJP NiCoMnSb等具有磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)馬氏體相變效應(yīng)的材料相比，Ni38Fe9Co3Mn34Al16的成本大大降低。表一純度為99.90%的金屬兀素的帀場(chǎng)價(jià)格
權(quán)利要求
1.1、一種具有磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)馬氏體相變效應(yīng)的磁性材料，其所述材料的化學(xué)式按原子百分比含量為:Ni38Fe9Co3Mn34Al16。
2.2、一種用于如權(quán)利要求1所述的具有磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)馬氏體相變效應(yīng)的磁性材料的制備方法，其所述方法按下列步驟進(jìn)行: (1)稱量配比 按化學(xué)式為Ni38Fe9Co3Mn34Al16的原子百分比含量，稱取純度為99.90%以上的N1、Fe、Co、Mn和Al材料； (2)熔煉錠材 將上述步驟(I)按原子百分比含量稱量好的材料置于熔煉坩堝中，采用電弧熔煉方法獲得Ni38Fe9Co3Mn34Al16多晶，其熔煉條件為:在本底真空達(dá)到2X 10_3 Pa以下時(shí)，通入1.0 `1.2MPa氬氣，整個(gè)熔煉過(guò)程樣品采用氬氣保護(hù)，熔煉電流100A，每個(gè)樣品翻轉(zhuǎn)三次，共熔煉四次，熔煉成分均勻后，獲得Ni38Fe9Co3Mn34Al16磁性合金錠材； (3)快淬甩帶 將上述步驟(2)獲得的磁性合金錠材置入一端開口，另一端開有小孔的石英管中，將置有錠材的石英管安放到甩帶機(jī)爐腔內(nèi)，將爐腔抽真空到10_3 Pa以下后，向爐腔內(nèi)通入高純氬氣，使?fàn)t腔內(nèi)壓強(qiáng)達(dá)到0.05MPa，采用感應(yīng)加熱，使材料處于熔融狀態(tài)，后從石英管上部吹入壓力為1.0 1.2MPa的高純氬氣，使熔融材料液體由小孔中噴射到高速旋轉(zhuǎn)的銅輪上快速甩出，其噴射的線速度為15 18 m/s,制得寬度為2 3mm，厚度為40 50 μ m的具有磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)馬氏體相變效應(yīng)的磁性帶材。
全文摘要
一種具有磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)馬氏體相變效應(yīng)的磁性材料及其制備方法，其所述磁性材料是Ni38Fe9Co3Mn34Al16；其制備方法是按Ni38Fe9Co3Mn34Al16的原子百分比含量稱取Ni、Fe、Co、Mn和Al材料，并在真空下通入氬氣保護(hù)進(jìn)行熔煉，獲得Ni38Fe9Co3Mn34Al16磁性合金錠材；再將磁性合金錠材置入石英管，安放到甩帶機(jī)真空腔內(nèi)，通入氬氣加熱為熔融狀后，由石英管上部吹入氬氣，使熔融材料液體噴射到高速旋轉(zhuǎn)銅輪上快速甩出，制得具有磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)馬氏體相變效應(yīng)的磁性材料。本發(fā)明磁性材料的磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)馬氏體相變效力的特征值達(dá)到4.4K/T，且原料價(jià)格更低廉，韌性更高，可控制性更強(qiáng)；在磁性敏感元件、磁制冷器件和設(shè)備、磁存儲(chǔ)器、微型機(jī)電器件及系統(tǒng)等方面具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。
文檔編號(hào)C22C1/02GK103146958SQ20131005685
公開日2013年6月12日 申請(qǐng)日期2013年2月23日 優(yōu)先權(quán)日2013年2月23日
發(fā)明者馮琳, 冀婷, 張文星, 張彩霞, 李維強(qiáng), 韓國(guó)華 申請(qǐng)人:太原理工大學(xué)