Mn基鐵磁形狀記憶合金：相變與磁性的深度剖析一、引言1.1研究背景與意義在材料科學(xué)不斷發(fā)展的進(jìn)程中，智能材料因其獨(dú)特的性能和廣泛的應(yīng)用前景，成為了眾多研究領(lǐng)域的焦點(diǎn)。其中，Mn基鐵磁形狀記憶合金作為智能材料的重要成員，展現(xiàn)出了傳統(tǒng)材料所不具備的特殊性質(zhì)，在航空航天、生物醫(yī)學(xué)、電子信息等眾多領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力，對其進(jìn)行深入研究具有重要的理論與實(shí)際意義。傳統(tǒng)的形狀記憶合金主要依賴溫度變化來實(shí)現(xiàn)形狀記憶效應(yīng)，通過加熱和冷卻過程，合金在奧氏體和馬氏體兩種相態(tài)之間轉(zhuǎn)變，從而恢復(fù)到預(yù)先設(shè)定的形狀。這種基于溫度驅(qū)動的形狀記憶效應(yīng)存在一定的局限性，響應(yīng)速度較慢，難以滿足對快速響應(yīng)和精確控制有要求的應(yīng)用場景。而壓電陶瓷和磁致伸縮材料雖然具有較高的響應(yīng)頻率，但它們所能產(chǎn)生的應(yīng)變相對較小，在一些需要大應(yīng)變輸出的應(yīng)用中受到限制。Mn基鐵磁形狀記憶合金則突破了這些傳統(tǒng)材料的局限，它不僅具備傳統(tǒng)形狀記憶合金的熱彈性形狀記憶效應(yīng)，還擁有受磁場控制的磁控形狀記憶效應(yīng)。當(dāng)施加外部磁場時(shí)，合金能夠迅速發(fā)生形狀變化，且應(yīng)變輸出較大。這種獨(dú)特的性能使其在智能材料領(lǐng)域中占據(jù)了重要地位，為解決傳統(tǒng)材料在實(shí)際應(yīng)用中的不足提供了新的思路和方法。從理論研究的角度來看，Mn基鐵磁形狀記憶合金的相變和磁性行為涉及到復(fù)雜的物理過程，包括晶體結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變、電子結(jié)構(gòu)的變化以及磁相互作用等。深入研究這些過程，有助于我們更深刻地理解材料的微觀結(jié)構(gòu)與宏觀性能之間的內(nèi)在聯(lián)系，豐富和完善材料科學(xué)的基礎(chǔ)理論。例如，在馬氏體相變過程中，合金的晶體結(jié)構(gòu)會從高溫相的奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)榈蜏叵嗟鸟R氏體，這一過程伴隨著原子排列方式的改變以及體積的變化。同時(shí)，磁性也會發(fā)生顯著變化，如磁化強(qiáng)度、磁各向異性等參數(shù)會隨著相變的進(jìn)行而改變。通過研究這些變化規(guī)律，可以揭示相變與磁性之間的耦合機(jī)制，為材料的性能優(yōu)化和設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。此外，探究合金中不同元素的種類和含量對相變溫度、磁性轉(zhuǎn)變以及磁致應(yīng)變等性能的影響規(guī)律，也能夠?yàn)殚_發(fā)新型高性能的鐵磁形狀記憶合金提供指導(dǎo)。在實(shí)際應(yīng)用方面，Mn基鐵磁形狀記憶合金的獨(dú)特性能使其在多個領(lǐng)域展現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用價(jià)值。在航空航天領(lǐng)域，飛行器的結(jié)構(gòu)部件需要具備高強(qiáng)度、輕量化以及良好的形狀記憶性能，以適應(yīng)復(fù)雜的飛行環(huán)境和實(shí)現(xiàn)精確的結(jié)構(gòu)控制。Mn基鐵磁形狀記憶合金可以用于制造機(jī)翼的變彎度結(jié)構(gòu)、發(fā)動機(jī)的自適應(yīng)葉片等，通過磁場的控制實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的變形，從而提高飛行器的飛行性能和燃油效率。在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，該合金可用于制造微型醫(yī)療器械，如血管支架、藥物輸送裝置等。利用其磁控形狀記憶效應(yīng)，可以在外部磁場的作用下實(shí)現(xiàn)醫(yī)療器械的精確操作和定位，為疾病的診斷和治療提供更加有效的手段。在電子信息領(lǐng)域，Mn基鐵磁形狀記憶合金可應(yīng)用于傳感器、執(zhí)行器等器件的制造，實(shí)現(xiàn)信號的快速檢測和精確控制，推動電子信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。然而，目前Mn基鐵磁形狀記憶合金在實(shí)際應(yīng)用中仍面臨一些挑戰(zhàn)，如相變溫度的精確控制、磁滯現(xiàn)象的減小以及材料的制備成本等問題。深入研究其相變和磁性，有助于解決這些實(shí)際應(yīng)用中的問題，推動該合金在更多領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀國外對于Mn基鐵磁形狀記憶合金的研究起步較早，在材料制備、性能表征以及理論機(jī)制探索等方面取得了一系列成果。1996年，麻省理工大學(xué)（MIT）的UllakkoK等在Ni?MnGa單晶中發(fā)現(xiàn)大的磁致應(yīng)變，開啟了鐵磁形狀記憶合金研究的新篇章。此后，芬蘭、美國、日本和俄羅斯等國學(xué)者相繼深入研究該領(lǐng)域。在材料制備方面，不斷探索新的制備工藝以提高合金的質(zhì)量和性能。例如，采用區(qū)域熔煉、定向凝固等方法制備出高質(zhì)量的單晶合金，通過快速凝固、機(jī)械合金化等技術(shù)制備出具有特殊微觀結(jié)構(gòu)的合金材料。在性能研究方面，對合金的磁致應(yīng)變、磁相變溫度、磁熱效應(yīng)等關(guān)鍵性能進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。如Sozinov等在Ni??.?Mn??.?Ga??.?中得到了9.5%的應(yīng)變，展現(xiàn)出該合金優(yōu)異的磁致形狀記憶效應(yīng)。國內(nèi)在國家863項(xiàng)目等的資助下，中國科學(xué)院物理研究所、北京航空航天大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等科研院所對Mn基鐵磁形狀記憶合金也展開了大量研究。在材料研制方面，對Ni-Mn-Ga-X系列合金、復(fù)合材料等進(jìn)行了深入研究，通過調(diào)整合金成分和制備工藝，優(yōu)化合金的性能。在熱磁力學(xué)特性研究方面，對形狀記憶效應(yīng)、應(yīng)力-應(yīng)變特性和磁致形狀記憶效應(yīng)等進(jìn)行了系統(tǒng)分析，取得了一定的研究成果。例如，蔣成保等在研究Ni-Mn-Ga合金過程中，認(rèn)為理論上可得到高達(dá)15%的超大應(yīng)變。然而，目前的研究仍存在一些不足之處。在相變研究方面，雖然對馬氏體相變和奧氏體相變的基本過程和機(jī)制有了一定的認(rèn)識，但對于相變過程中的一些微觀細(xì)節(jié)和復(fù)雜現(xiàn)象，如相變過程中的原子擴(kuò)散機(jī)制、相變界面的動態(tài)演化等，還缺乏深入的理解。在磁性研究方面，對于合金磁性的調(diào)控機(jī)制還不夠明確，如何通過改變合金成分和微觀結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)對磁性的精確調(diào)控，以滿足不同應(yīng)用場景的需求，仍是亟待解決的問題。此外，在實(shí)際應(yīng)用研究方面，雖然Mn基鐵磁形狀記憶合金展現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用潛力，但目前還面臨著一些技術(shù)難題，如材料的制備成本較高、加工工藝復(fù)雜、穩(wěn)定性和可靠性有待提高等，這些問題限制了其大規(guī)模的工程應(yīng)用。1.3研究內(nèi)容與方法本研究聚焦于Mn基鐵磁形狀記憶合金的相變和磁性，旨在深入剖析其內(nèi)在機(jī)制，為該合金的性能優(yōu)化和廣泛應(yīng)用提供理論支撐與技術(shù)指導(dǎo)。在研究內(nèi)容方面，首先對Mn基鐵磁形狀記憶合金的相變機(jī)制展開深入研究。運(yùn)用X射線衍射（XRD）、透射電子顯微鏡（TEM）等微觀分析技術(shù)，精確測定合金在相變過程中晶體結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變特征，詳細(xì)記錄馬氏體相變和奧氏體相變的起始溫度、結(jié)束溫度以及相變過程中的晶體結(jié)構(gòu)變化細(xì)節(jié)。通過差示掃描量熱法（DSC）準(zhǔn)確測量相變過程中的熱效應(yīng)，計(jì)算相變潛熱，從而深入了解相變過程中的能量變化情況。同時(shí)，借助熱力學(xué)和動力學(xué)理論，深入分析相變驅(qū)動力和相變阻力的影響因素，建立完善的相變動力學(xué)模型，以準(zhǔn)確預(yù)測相變過程的發(fā)生和發(fā)展。其次，系統(tǒng)探究Mn基鐵磁形狀記憶合金的磁性特征。采用超導(dǎo)量子干涉儀（SQUID）、振動樣品磁強(qiáng)計(jì)（VSM）等先進(jìn)設(shè)備，全面測量合金的磁化曲線、磁滯回線、磁各向異性等磁性參數(shù)，深入分析合金在不同溫度、磁場條件下的磁性變化規(guī)律。運(yùn)用磁性理論，從微觀角度深入探討合金中原子磁矩的排列方式、磁相互作用機(jī)制以及磁性與晶體結(jié)構(gòu)之間的內(nèi)在聯(lián)系，揭示合金磁性的本質(zhì)來源。再者，深入研究合金的成分、微觀結(jié)構(gòu)與相變、磁性之間的關(guān)聯(lián)。通過調(diào)整合金中Mn、Ni、Ga等主要元素的含量，以及添加其他微量元素，系統(tǒng)研究合金成分對相變溫度、磁性轉(zhuǎn)變以及磁致應(yīng)變等性能的影響規(guī)律。利用金相顯微鏡、掃描電子顯微鏡（SEM）等手段，深入觀察合金的微觀組織結(jié)構(gòu)，包括晶粒尺寸、晶界形態(tài)、相分布等，分析微觀結(jié)構(gòu)對相變和磁性的影響機(jī)制，為合金的成分設(shè)計(jì)和微觀結(jié)構(gòu)調(diào)控提供科學(xué)依據(jù)。最后，探索Mn基鐵磁形狀記憶合金在實(shí)際應(yīng)用中的可行性。針對航空航天、生物醫(yī)學(xué)、電子信息等領(lǐng)域的具體應(yīng)用需求，開展應(yīng)用基礎(chǔ)研究。例如，研究合金在復(fù)雜環(huán)境下的穩(wěn)定性和可靠性，評估其在實(shí)際應(yīng)用中的性能表現(xiàn)；探索合金與其他材料的復(fù)合工藝，制備具有優(yōu)異綜合性能的復(fù)合材料，拓展其應(yīng)用范圍。在研究方法上，主要采用實(shí)驗(yàn)研究和理論分析相結(jié)合的方式。在實(shí)驗(yàn)研究方面，通過真空熔煉、定向凝固等先進(jìn)工藝制備高質(zhì)量的Mn基鐵磁形狀記憶合金樣品，嚴(yán)格控制制備過程中的工藝參數(shù)，確保樣品質(zhì)量的一致性和穩(wěn)定性。運(yùn)用XRD、TEM、SEM、DSC、SQUID、VSM等多種先進(jìn)的材料表征技術(shù)，對合金的晶體結(jié)構(gòu)、微觀組織、相變行為和磁性特征進(jìn)行全面、準(zhǔn)確的測量和分析，獲取豐富的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。在理論分析方面，基于熱力學(xué)、動力學(xué)、磁性理論等基礎(chǔ)理論，建立合理的理論模型，對合金的相變和磁性進(jìn)行深入的理論分析和計(jì)算。通過理論模型與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對比和驗(yàn)證，不斷完善理論模型，深入揭示合金相變和磁性的內(nèi)在機(jī)制。同時(shí)，運(yùn)用計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)，如分子動力學(xué)模擬、第一性原理計(jì)算等，從原子尺度和電子層面深入研究合金的微觀結(jié)構(gòu)和性能，為實(shí)驗(yàn)研究提供理論指導(dǎo)和預(yù)測。二、Mn基鐵磁形狀記憶合金概述2.1基本概念與特點(diǎn)Mn基鐵磁形狀記憶合金是一種特殊的合金材料，它融合了形狀記憶效應(yīng)和鐵磁性這兩種獨(dú)特的性能。從本質(zhì)上來說，這類合金屬于金屬間化合物，其晶體結(jié)構(gòu)通常較為復(fù)雜，原子排列呈現(xiàn)出特定的有序結(jié)構(gòu)。在Mn基鐵磁形狀記憶合金中，Mn元素起著關(guān)鍵作用，它不僅對合金的晶體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，還在很大程度上決定了合金的磁性和形狀記憶特性。通過調(diào)整合金中Mn與其他元素（如Ni、Ga、Al等）的比例，可以有效地調(diào)控合金的性能，以滿足不同應(yīng)用場景的需求。形狀記憶效應(yīng)是Mn基鐵磁形狀記憶合金的重要特性之一，其原理基于合金在不同溫度下的晶體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變。在高溫狀態(tài)下，合金處于奧氏體相，此時(shí)晶體結(jié)構(gòu)較為規(guī)整，原子排列有序。當(dāng)溫度降低到一定程度時(shí)，合金會發(fā)生馬氏體相變，轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體相。馬氏體相具有多種變體，這些變體之間存在著一定的取向關(guān)系和晶體學(xué)特征。在馬氏體狀態(tài)下對合金施加外力使其發(fā)生塑性變形，當(dāng)再次加熱到奧氏體相轉(zhuǎn)變溫度以上時(shí)，合金會自動恢復(fù)到變形前的形狀，這就是形狀記憶效應(yīng)的體現(xiàn)。這種效應(yīng)使得合金能夠“記住”其初始形狀，并在特定條件下恢復(fù)，具有重要的應(yīng)用價(jià)值。例如，在航空航天領(lǐng)域中，形狀記憶合金可用于制造可展開的結(jié)構(gòu)部件，在航天器發(fā)射時(shí)，這些部件可以處于緊湊的形狀以節(jié)省空間，進(jìn)入太空后，通過加熱使其恢復(fù)到預(yù)定的形狀，實(shí)現(xiàn)特定的功能。在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，可用于制造血管支架，在低溫下將支架壓縮并植入血管，當(dāng)溫度升高到體溫時(shí)，支架恢復(fù)原狀，支撐血管壁，維持血管通暢。Mn基鐵磁形狀記憶合金的鐵磁性賦予了它在磁場作用下表現(xiàn)出特殊行為的能力。合金中的原子磁矩會在磁場的作用下發(fā)生有序排列，從而產(chǎn)生宏觀的磁化現(xiàn)象。當(dāng)施加外部磁場時(shí)，合金的磁化強(qiáng)度會隨著磁場強(qiáng)度的變化而改變，呈現(xiàn)出一定的磁滯回線特征。這種鐵磁性使得合金在磁性器件、傳感器等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。例如，在磁性傳感器中，合金可以根據(jù)外界磁場的變化產(chǎn)生相應(yīng)的電信號輸出，實(shí)現(xiàn)對磁場的精確檢測。在電機(jī)、變壓器等磁性器件中，利用其良好的磁性能可以提高器件的效率和性能。與傳統(tǒng)的形狀記憶合金相比，Mn基鐵磁形狀記憶合金具有響應(yīng)速度快的顯著優(yōu)勢。傳統(tǒng)形狀記憶合金主要依靠溫度變化來觸發(fā)形狀記憶效應(yīng)，由于溫度變化需要一定的時(shí)間，導(dǎo)致其響應(yīng)速度較慢，難以滿足對快速響應(yīng)有要求的應(yīng)用場景。而Mn基鐵磁形狀記憶合金可以通過外部磁場的作用快速實(shí)現(xiàn)形狀變化，響應(yīng)頻率可高達(dá)幾百赫茲甚至更高。這種快速響應(yīng)的特性使得它在智能控制系統(tǒng)、高速執(zhí)行器等領(lǐng)域具有獨(dú)特的應(yīng)用價(jià)值。例如，在航空航天領(lǐng)域的飛行器控制系統(tǒng)中，Mn基鐵磁形狀記憶合金制成的執(zhí)行器可以根據(jù)飛行狀態(tài)的變化，在短時(shí)間內(nèi)迅速調(diào)整飛行器的結(jié)構(gòu)形狀，實(shí)現(xiàn)對飛行姿態(tài)的精確控制，提高飛行器的機(jī)動性和飛行性能。在機(jī)器人領(lǐng)域，用于制造機(jī)器人的關(guān)節(jié)驅(qū)動部件，能夠使機(jī)器人更加靈活地運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)快速的動作響應(yīng)。此外，Mn基鐵磁形狀記憶合金還具有較大的磁致應(yīng)變。當(dāng)施加外部磁場時(shí)，合金能夠產(chǎn)生明顯的形狀變化，其應(yīng)變輸出可以達(dá)到百分之幾甚至更高。這種大應(yīng)變輸出的特性使得它在需要大變形量的應(yīng)用中具有很大的優(yōu)勢。例如，在微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）中，Mn基鐵磁形狀記憶合金可以用于制造微型致動器，通過磁場的控制實(shí)現(xiàn)微小結(jié)構(gòu)的大變形，為MEMS器件的發(fā)展提供了新的技術(shù)手段。在一些需要精確控制位移和力的場合，如精密儀器的微調(diào)裝置、光學(xué)器件的自適應(yīng)調(diào)整機(jī)構(gòu)等，Mn基鐵磁形狀記憶合金也能夠發(fā)揮重要作用，利用其大磁致應(yīng)變特性實(shí)現(xiàn)高精度的位移和力控制。2.2晶體結(jié)構(gòu)與分類Mn基鐵磁形狀記憶合金的晶體結(jié)構(gòu)是理解其性能和行為的關(guān)鍵基礎(chǔ)，不同的晶體結(jié)構(gòu)賦予合金獨(dú)特的物理性質(zhì)，對其在實(shí)際應(yīng)用中的表現(xiàn)產(chǎn)生重要影響。常見的Mn基鐵磁形狀記憶合金晶體結(jié)構(gòu)包括L2?、B2等。L2?結(jié)構(gòu)是一種較為常見的有序結(jié)構(gòu)，具有較高的對稱性。在這種結(jié)構(gòu)中，原子按特定的方式排列，形成規(guī)則的晶格點(diǎn)陣。以典型的Ni?MnGa合金為例，其晶體結(jié)構(gòu)在高溫奧氏體相時(shí)通常為L2?結(jié)構(gòu)。在L2?結(jié)構(gòu)的晶胞中，原子占據(jù)著特定的位置，Mn原子位于晶胞的頂點(diǎn)和體心，Ni原子位于面心，Ga原子則處于特定的位置，這種原子排列方式?jīng)Q定了合金在奧氏體相時(shí)的穩(wěn)定性和物理性質(zhì)。L2?結(jié)構(gòu)的合金具有較高的磁有序溫度，在一定溫度范圍內(nèi)能夠保持良好的鐵磁性。這種結(jié)構(gòu)的合金在馬氏體相變過程中，會發(fā)生晶體結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變，從高溫的L2?結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榈蜏氐鸟R氏體結(jié)構(gòu)，如5M、7M或NM結(jié)構(gòu)。在轉(zhuǎn)變過程中，原子會發(fā)生位移和重排，導(dǎo)致晶體結(jié)構(gòu)的對稱性降低，從而產(chǎn)生馬氏體變體。這些馬氏體變體之間存在著一定的取向關(guān)系和晶體學(xué)特征，使得合金在馬氏體狀態(tài)下具有形狀記憶效應(yīng)和磁致形狀記憶效應(yīng)。B2結(jié)構(gòu)也是Mn基鐵磁形狀記憶合金中常見的一種晶體結(jié)構(gòu)。與L2?結(jié)構(gòu)相比，B2結(jié)構(gòu)的對稱性相對較低。在B2結(jié)構(gòu)中，原子的排列方式與L2?結(jié)構(gòu)有所不同，Mn、Ni等原子在晶胞中的分布呈現(xiàn)出另一種有序狀態(tài)。具有B2結(jié)構(gòu)的Mn基合金在性能上也有其獨(dú)特之處，例如，其磁學(xué)性能可能會受到結(jié)構(gòu)的影響而表現(xiàn)出與L2?結(jié)構(gòu)合金不同的特點(diǎn)。在一些研究中發(fā)現(xiàn)，B2結(jié)構(gòu)的合金在某些條件下可能具有更好的磁致應(yīng)變性能，能夠在較小的磁場變化下產(chǎn)生較大的應(yīng)變輸出。這是因?yàn)锽2結(jié)構(gòu)的原子排列方式使得合金內(nèi)部的磁相互作用和晶格應(yīng)變關(guān)系與L2?結(jié)構(gòu)不同，從而影響了合金在磁場作用下的變形行為。除了上述兩種常見結(jié)構(gòu)外，Mn基鐵磁形狀記憶合金還包括其他多種類型，不同類型的合金在成分和性能上各有特點(diǎn)。Ni-Mn-Ga系合金是研究最為廣泛的一類Mn基鐵磁形狀記憶合金。通過調(diào)整Ni、Mn、Ga三種元素的比例，可以有效調(diào)控合金的相變溫度、磁性以及磁致應(yīng)變等性能。當(dāng)增加Ga元素的含量時(shí)，合金的馬氏體相變溫度會發(fā)生變化，同時(shí)磁致應(yīng)變也會受到影響。適當(dāng)增加Ga含量可能會使合金的磁致應(yīng)變增大，這是因?yàn)镚a原子的加入改變了合金的晶體結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響了馬氏體變體的取向和磁相互作用，使得合金在磁場作用下更容易發(fā)生馬氏體變體的重取向，從而產(chǎn)生更大的應(yīng)變。Ni-Mn-Ga系合金在航空航天領(lǐng)域可用于制造飛行器的智能結(jié)構(gòu)部件，利用其磁控形狀記憶效應(yīng)，通過磁場控制實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的變形，提高飛行器的性能。在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，可用于制造微型醫(yī)療器械，如微型夾子、縫合線等，通過外部磁場控制其形狀變化，實(shí)現(xiàn)精確的操作。Mn-Al-C系合金也是一類重要的Mn基鐵磁形狀記憶合金。Al和C元素的加入賦予了合金獨(dú)特的性能。Al元素可以提高合金的強(qiáng)度和硬度，同時(shí)對合金的磁性和相變行為產(chǎn)生影響。C元素的加入則可以改變合金的晶體結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響合金的性能。研究發(fā)現(xiàn)，Mn-Al-C系合金在一定成分范圍內(nèi)具有較好的磁控形狀記憶效應(yīng)和阻尼性能。通過調(diào)整C元素的含量，可以調(diào)控合金的孔隙率和孔隙結(jié)構(gòu)，從而影響合金的磁致應(yīng)變性能。在一些應(yīng)用中，如機(jī)械振動控制領(lǐng)域，利用Mn-Al-C系合金的阻尼性能和磁控形狀記憶效應(yīng)，可制造出高性能的減振器，通過磁場控制合金的變形，吸收和耗散振動能量，實(shí)現(xiàn)對振動的有效控制。2.3應(yīng)用領(lǐng)域與前景Mn基鐵磁形狀記憶合金憑借其獨(dú)特的磁控形狀記憶效應(yīng)和優(yōu)異的性能，在多個領(lǐng)域展現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用潛力，為解決傳統(tǒng)材料在相關(guān)領(lǐng)域的局限性提供了新的途徑。在航空航天領(lǐng)域，飛行器需要在復(fù)雜的環(huán)境中高效運(yùn)行，對材料的性能要求極高。Mn基鐵磁形狀記憶合金可用于制造飛行器的機(jī)翼變彎度結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)機(jī)翼的形狀在飛行過程中通常是固定的，難以根據(jù)不同的飛行條件進(jìn)行優(yōu)化，導(dǎo)致飛行效率和機(jī)動性受到一定限制。而利用Mn基鐵磁形狀記憶合金制造的機(jī)翼變彎度結(jié)構(gòu)，能夠在磁場的作用下改變形狀，從而根據(jù)飛行速度、高度、氣流等條件實(shí)時(shí)調(diào)整機(jī)翼的彎度。在高速飛行時(shí)，通過施加磁場使機(jī)翼變彎度結(jié)構(gòu)變形，減小機(jī)翼的阻力，提高飛行速度和燃油效率；在起飛和降落階段，調(diào)整機(jī)翼彎度，增加升力，確保飛行的安全和穩(wěn)定。這種智能結(jié)構(gòu)能夠顯著提升飛行器的性能，為航空航天技術(shù)的發(fā)展帶來新的突破。此外，在航空發(fā)動機(jī)中，Mn基鐵磁形狀記憶合金可用于制造自適應(yīng)葉片。發(fā)動機(jī)在不同的工況下，對葉片的形狀和性能有不同的要求。傳統(tǒng)葉片難以滿足這種多變的需求，而自適應(yīng)葉片利用Mn基鐵磁形狀記憶合金的特性，能夠根據(jù)發(fā)動機(jī)內(nèi)部的溫度、壓力和氣流等參數(shù)的變化，在磁場的控制下自動調(diào)整葉片的形狀，優(yōu)化葉片的氣動性能，提高發(fā)動機(jī)的效率和可靠性。生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域?qū)Σ牧系男阅芎桶踩杂兄鴩?yán)格的要求，Mn基鐵磁形狀記憶合金在該領(lǐng)域的應(yīng)用為疾病的診斷和治療提供了新的手段。在藥物輸送系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的藥物輸送方式往往難以實(shí)現(xiàn)藥物的精準(zhǔn)定位和釋放，導(dǎo)致藥物的療效受到影響，同時(shí)可能產(chǎn)生較大的副作用。而基于Mn基鐵磁形狀記憶合金的藥物輸送裝置則具有獨(dú)特的優(yōu)勢。這種裝置可以在外部磁場的引導(dǎo)下，準(zhǔn)確地將藥物輸送到體內(nèi)的特定病變部位。通過控制磁場的強(qiáng)度和方向，能夠精確控制藥物輸送裝置的運(yùn)動軌跡和位置，實(shí)現(xiàn)藥物的精準(zhǔn)定位。當(dāng)藥物輸送裝置到達(dá)病變部位后，還可以利用合金的形狀記憶效應(yīng)，在溫度或磁場的刺激下釋放藥物，實(shí)現(xiàn)藥物的可控釋放。這種精準(zhǔn)的藥物輸送和釋放方式，能夠提高藥物的療效，減少藥物對正常組織的損害，降低副作用。在神經(jīng)刺激領(lǐng)域，Mn基鐵磁形狀記憶合金可用于制造微型神經(jīng)刺激器。神經(jīng)疾病的治療常常需要對神經(jīng)進(jìn)行精準(zhǔn)的刺激，傳統(tǒng)的刺激方法存在精度低、創(chuàng)傷大等問題。微型神經(jīng)刺激器利用Mn基鐵磁形狀記憶合金在磁場作用下的變形特性，能夠產(chǎn)生微小的機(jī)械力，對神經(jīng)進(jìn)行精準(zhǔn)的刺激。通過精確控制磁場的參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對神經(jīng)刺激的強(qiáng)度、頻率和時(shí)間等的精確調(diào)控，為神經(jīng)疾病的治療提供了一種新的、有效的手段。傳感器和執(zhí)行器是現(xiàn)代工業(yè)和科技領(lǐng)域中不可或缺的關(guān)鍵部件，Mn基鐵磁形狀記憶合金在這些領(lǐng)域的應(yīng)用，能夠顯著提升傳感器和執(zhí)行器的性能和功能。在位移傳感器方面，傳統(tǒng)的位移傳感器在精度、響應(yīng)速度和可靠性等方面存在一定的局限性。Mn基鐵磁形狀記憶合金制成的位移傳感器則具有高精度和快速響應(yīng)的特點(diǎn)。當(dāng)合金受到外部磁場的作用時(shí)，會發(fā)生形狀變化，這種形狀變化與磁場強(qiáng)度和位移之間存在著密切的關(guān)系。通過檢測合金的形狀變化或磁性能的變化，就可以精確地測量出位移的大小。由于合金的響應(yīng)速度快，能夠快速感知位移的變化并輸出相應(yīng)的信號，因此這種位移傳感器在需要高精度和快速響應(yīng)的場合，如精密機(jī)械加工、航空航天等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值。在微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）執(zhí)行器中，Mn基鐵磁形狀記憶合金也具有廣闊的應(yīng)用前景。MEMS執(zhí)行器要求體積小、重量輕、響應(yīng)速度快且能夠產(chǎn)生較大的驅(qū)動力。Mn基鐵磁形狀記憶合金的高應(yīng)變特性和快速響應(yīng)能力，使其非常適合用于制造MEMS執(zhí)行器。利用合金在磁場作用下的大應(yīng)變輸出，能夠?qū)崿F(xiàn)MEMS執(zhí)行器的微小結(jié)構(gòu)的大變形，從而完成各種復(fù)雜的操作，如微夾持、微驅(qū)動等。這種基于Mn基鐵磁形狀記憶合金的MEMS執(zhí)行器，為微機(jī)電系統(tǒng)的發(fā)展提供了新的技術(shù)支持，推動了微機(jī)電系統(tǒng)在生物醫(yī)學(xué)、信息通信、航空航天等領(lǐng)域的應(yīng)用。展望未來，隨著研究的不斷深入和技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步，Mn基鐵磁形狀記憶合金有望在更多領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)突破和應(yīng)用。在智能機(jī)器人領(lǐng)域，將Mn基鐵磁形狀記憶合金應(yīng)用于機(jī)器人的關(guān)節(jié)和驅(qū)動系統(tǒng)，能夠使機(jī)器人更加靈活地運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的動作。合金的快速響應(yīng)特性和大應(yīng)變輸出能力，能夠使機(jī)器人在高速運(yùn)動和高精度操作方面表現(xiàn)出色，提高機(jī)器人的工作效率和適應(yīng)性。在能源領(lǐng)域，Mn基鐵磁形狀記憶合金可用于開發(fā)新型的能量轉(zhuǎn)換和存儲裝置。例如，利用合金的磁熱效應(yīng)，開發(fā)高效的磁制冷設(shè)備，替代傳統(tǒng)的制冷方式，減少對環(huán)境的影響。在電子設(shè)備領(lǐng)域，隨著電子設(shè)備的小型化和多功能化發(fā)展，對材料的性能提出了更高的要求。Mn基鐵磁形狀記憶合金有望用于制造高性能的電子元件，如微型電機(jī)、傳感器等，提升電子設(shè)備的性能和可靠性。三、Mn基鐵磁形狀記憶合金的相變3.1相變類型與特征3.1.1馬氏體相變馬氏體相變是Mn基鐵磁形狀記憶合金中最為重要的相變類型之一，對合金的形狀記憶效應(yīng)和磁控形狀記憶效應(yīng)起著決定性作用。馬氏體相變是一種無擴(kuò)散型相變，在相變過程中，原子不發(fā)生擴(kuò)散，而是通過切變的方式進(jìn)行重新排列，從而實(shí)現(xiàn)晶體結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變。這種相變機(jī)制使得馬氏體相變具有快速、可逆的特點(diǎn)。在高溫狀態(tài)下，Mn基鐵磁形狀記憶合金通常處于奧氏體相，其晶體結(jié)構(gòu)具有較高的對稱性。以常見的Ni?MnGa合金為例，在高溫奧氏體相時(shí)，其晶體結(jié)構(gòu)一般為L2?結(jié)構(gòu)。在這種結(jié)構(gòu)中，原子按特定的方式排列，形成規(guī)則的晶格點(diǎn)陣。當(dāng)溫度降低到一定程度時(shí)，合金會發(fā)生馬氏體相變，從奧氏體相轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體相。馬氏體相具有多種變體，如5M、7M、10M和14M等結(jié)構(gòu)。這些變體的晶體結(jié)構(gòu)與奧氏體相有明顯差異，原子排列方式發(fā)生了改變，導(dǎo)致晶體結(jié)構(gòu)的對稱性降低。在5M結(jié)構(gòu)的馬氏體中，原子排列呈現(xiàn)出特定的周期性和取向關(guān)系，與奧氏體相的L2?結(jié)構(gòu)相比，其對稱性明顯降低。這種晶體結(jié)構(gòu)的變化是馬氏體相變的重要特征之一。馬氏體相變過程中存在一些特征溫度，這些溫度對于理解合金的相變行為和性能具有重要意義。馬氏體相變開始溫度（Ms）是指合金從奧氏體相開始向馬氏體相轉(zhuǎn)變的溫度。當(dāng)溫度降低到Ms以下時(shí)，合金中開始出現(xiàn)馬氏體相。馬氏體相變結(jié)束溫度（Mf）則是指合金中奧氏體相完全轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體相的溫度。在Mf溫度以下，合金全部為馬氏體相。此外，還有奧氏體相變開始溫度（As）和奧氏體相變結(jié)束溫度（Af）。As是指合金從馬氏體相開始向奧氏體相轉(zhuǎn)變的溫度，Af是指合金中馬氏體相完全轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體相的溫度。這些特征溫度受到合金成分、熱處理工藝等多種因素的影響。在Ni?MnGa合金中，通過調(diào)整Ni、Mn、Ga元素的比例，可以改變Ms和As等特征溫度。增加Mn元素的含量，通常會使Ms溫度降低，而增加Ga元素的含量，則可能使Ms溫度升高。這是因?yàn)椴煌氐募尤霑淖兒辖鸬木w結(jié)構(gòu)和原子間的相互作用力，從而影響相變的驅(qū)動力和阻力，進(jìn)而改變特征溫度。馬氏體相變過程中的微觀結(jié)構(gòu)變化是理解其相變機(jī)制和性能的關(guān)鍵。在相變初期，馬氏體相以細(xì)小的晶核形式在奧氏體相中形核。這些晶核通常在晶體缺陷（如位錯、晶界等）處優(yōu)先形成，因?yàn)檫@些位置具有較高的能量，有利于降低形核的能量障礙。隨著溫度的進(jìn)一步降低，馬氏體晶核開始長大。馬氏體的長大是通過原子的切變來實(shí)現(xiàn)的，原子在不發(fā)生擴(kuò)散的情況下，沿著特定的晶面和方向進(jìn)行協(xié)同運(yùn)動，使得馬氏體相逐漸向奧氏體相中擴(kuò)展。在這個過程中，馬氏體相和奧氏體相之間形成了共格或半共格的界面。共格界面是指兩相的原子在界面處保持連續(xù)和匹配，這種界面具有較低的界面能。半共格界面則是指兩相的原子在界面處部分匹配，存在一定的錯配度。共格或半共格界面的存在使得馬氏體相變能夠在較低的能量條件下進(jìn)行。隨著馬氏體相的不斷長大，不同的馬氏體變體之間會相互作用和競爭。由于馬氏體變體的取向不同，它們在長大過程中會受到周圍奧氏體相和其他馬氏體變體的約束和影響。這種相互作用會導(dǎo)致馬氏體變體的形態(tài)和分布發(fā)生變化，最終形成復(fù)雜的微觀結(jié)構(gòu)。在一些情況下，馬氏體變體可能會形成孿晶結(jié)構(gòu)，孿晶是指兩個或多個晶體之間具有特定的晶體學(xué)取向關(guān)系，通過孿晶界相互連接。孿晶結(jié)構(gòu)的形成可以降低馬氏體相的應(yīng)變能，提高合金的穩(wěn)定性。馬氏體相變過程中的微觀結(jié)構(gòu)變化還會影響合金的性能。例如，馬氏體變體的取向和分布會影響合金的磁致應(yīng)變性能。當(dāng)馬氏體變體的取向與磁場方向一致時(shí)，合金在磁場作用下更容易發(fā)生馬氏體變體的重取向，從而產(chǎn)生較大的磁致應(yīng)變。因此，通過控制馬氏體相變過程中的微觀結(jié)構(gòu)，可以有效地調(diào)控合金的性能。3.1.2其他相變（如有序-無序相變）除了馬氏體相變，Mn基鐵磁形狀記憶合金中還可能發(fā)生有序-無序相變，這種相變對合金的性能有著重要影響。有序-無序相變是指合金中原子排列從有序狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闊o序狀態(tài)，或者從無序狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橛行驙顟B(tài)的過程。在有序相中，不同種類的原子在晶格點(diǎn)陣位置上呈規(guī)則的周期性排列，而在無序相中，這種規(guī)律性消失，原子排列變得隨機(jī)。以典型的Mn基合金體系為例，在低溫下，合金中的原子可能形成有序結(jié)構(gòu)，如L2?結(jié)構(gòu)。在這種結(jié)構(gòu)中，原子按特定的位置和順序排列，形成穩(wěn)定的晶體結(jié)構(gòu)。當(dāng)溫度升高到一定程度時(shí)，原子的熱運(yùn)動加劇，原子的排列方式逐漸變得無序，合金發(fā)生有序-無序相變，從有序相轉(zhuǎn)變?yōu)闊o序相。這種相變過程伴隨著晶體結(jié)構(gòu)對稱性的變化。在有序相時(shí)，晶體結(jié)構(gòu)具有較高的對稱性，原子排列的有序性使得晶體的某些物理性質(zhì)表現(xiàn)出各向異性。而在無序相時(shí)，原子排列的隨機(jī)性導(dǎo)致晶體結(jié)構(gòu)的對稱性提高，物理性質(zhì)的各向異性減弱。有序-無序相變的原理可以從熱力學(xué)和原子擴(kuò)散的角度來解釋。從熱力學(xué)角度來看，相變的驅(qū)動力是系統(tǒng)自由能的變化。在低溫下，有序相的自由能較低，合金處于穩(wěn)定的有序狀態(tài)。隨著溫度的升高，無序相的自由能逐漸降低，當(dāng)溫度達(dá)到一定值時(shí)，無序相的自由能低于有序相，合金發(fā)生相變，轉(zhuǎn)變?yōu)闊o序相。這是因?yàn)闇囟壬邥黾釉拥臒嵴駝幽芰浚沟迷佑懈嗟臋C(jī)會偏離其有序位置，從而導(dǎo)致原子排列的無序化。從原子擴(kuò)散的角度來看，有序-無序相變涉及原子在晶格中的擴(kuò)散運(yùn)動。在相變過程中，原子需要克服一定的能量障礙，從有序狀態(tài)下的特定位置移動到無序狀態(tài)下的隨機(jī)位置。原子的擴(kuò)散速率與溫度密切相關(guān)，溫度越高，原子的擴(kuò)散速率越快，相變過程也就越容易發(fā)生。有序-無序相變對Mn基鐵磁形狀記憶合金的性能有著顯著影響。它會改變合金的電學(xué)性能。在有序相時(shí)，由于原子排列的規(guī)則性，電子在晶體中的運(yùn)動受到的散射較小，合金的電阻率較低。而在無序相時(shí)，原子排列的無序性增加了電子的散射幾率，導(dǎo)致合金的電阻率升高。有序-無序相變還會影響合金的磁性。在一些Mn基合金中，有序相和無序相的磁性可能存在差異。例如，在有序相時(shí)，合金可能具有較強(qiáng)的鐵磁性，而在無序相時(shí)，鐵磁性可能減弱甚至消失。這是因?yàn)樵优帕械淖兓瘯绊懺哟啪氐南嗷プ饔煤团帕蟹绞剑瑥亩淖兒辖鸬拇判浴４送猓行?無序相變對合金的力學(xué)性能也有影響。有序相通常具有較高的強(qiáng)度和硬度，因?yàn)橛行虻脑优帕惺沟镁w結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，位錯的運(yùn)動受到較大的阻礙。而無序相的強(qiáng)度和硬度相對較低，位錯更容易在其中運(yùn)動。因此，通過控制有序-無序相變，可以調(diào)節(jié)合金的力學(xué)性能，以滿足不同應(yīng)用場景的需求。3.2相變機(jī)制3.2.1熱力學(xué)機(jī)制從熱力學(xué)角度深入剖析Mn基鐵磁形狀記憶合金的相變過程，對于理解其相變行為和性能具有重要意義。相變驅(qū)動力是促使相變發(fā)生的關(guān)鍵因素，在Mn基鐵磁形狀記憶合金中，相變驅(qū)動力主要源于化學(xué)自由能差、彈性應(yīng)變能和界面能等。化學(xué)自由能差是相變的主要驅(qū)動力之一。在馬氏體相變過程中，奧氏體相和馬氏體相具有不同的化學(xué)自由能。當(dāng)溫度降低時(shí)，馬氏體相的化學(xué)自由能逐漸低于奧氏體相，從而產(chǎn)生化學(xué)自由能差，驅(qū)動奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變。這種化學(xué)自由能差的大小與合金的成分、溫度等因素密切相關(guān)。在Ni?MnGa合金中，不同的Ni、Mn、Ga含量會導(dǎo)致合金的化學(xué)自由能發(fā)生變化，進(jìn)而影響相變驅(qū)動力。當(dāng)增加Mn元素的含量時(shí)，合金的化學(xué)自由能會發(fā)生改變，可能會使相變驅(qū)動力增大，從而促進(jìn)馬氏體相變的發(fā)生。彈性應(yīng)變能在相變過程中也起著重要作用。在馬氏體相變時(shí)，由于奧氏體相和馬氏體相的晶體結(jié)構(gòu)不同，原子排列方式發(fā)生改變，會導(dǎo)致體積變化和晶格畸變，從而產(chǎn)生彈性應(yīng)變能。這種彈性應(yīng)變能是相變的阻力之一，它會阻礙相變的進(jìn)行。為了降低彈性應(yīng)變能，馬氏體通常會以特定的變體形式出現(xiàn)，這些變體之間的相互作用可以部分抵消彈性應(yīng)變能。在一些情況下，馬氏體變體可能會形成孿晶結(jié)構(gòu)，孿晶的存在可以降低彈性應(yīng)變能，提高合金的穩(wěn)定性。界面能也是影響相變的重要因素。奧氏體相和馬氏體相之間存在相界面，相界面具有一定的能量，即界面能。在相變過程中，相界面的形成和移動會消耗能量，因此界面能也是相變的阻力之一。相界面的性質(zhì)和形態(tài)會影響界面能的大小。共格界面的界面能較低，而半共格界面和非共格界面的界面能相對較高。在馬氏體相變過程中，為了降低界面能，相界面通常會盡量保持共格或半共格狀態(tài)。相變熱是相變過程中能量變化的重要體現(xiàn)。馬氏體相變是一個放熱過程，在相變過程中會釋放出相變潛熱。相變潛熱的大小與相變驅(qū)動力、相變溫度等因素有關(guān)。通過差示掃描量熱法（DSC）等實(shí)驗(yàn)技術(shù)，可以精確測量Mn基鐵磁形狀記憶合金的相變潛熱。研究表明，相變潛熱的大小會影響相變的速率和進(jìn)程。當(dāng)相變潛熱較大時(shí)，相變過程會釋放出更多的熱量，這可能會導(dǎo)致相變溫度升高，從而影響相變的進(jìn)行。相變潛熱還與合金的微觀結(jié)構(gòu)和成分有關(guān)。不同的合金成分和微觀結(jié)構(gòu)會導(dǎo)致相變潛熱發(fā)生變化。在一些添加了微量元素的Mn基合金中，由于微量元素的作用，可能會改變合金的晶體結(jié)構(gòu)和原子間的相互作用力，從而導(dǎo)致相變潛熱發(fā)生改變。3.2.2動力學(xué)機(jī)制Mn基鐵磁形狀記憶合金的相變動力學(xué)機(jī)制涉及原子擴(kuò)散、界面移動等復(fù)雜的過程，這些過程對相變的速率和進(jìn)程有著重要影響。原子擴(kuò)散在相變過程中扮演著重要角色。在一些相變過程中，原子需要通過擴(kuò)散來實(shí)現(xiàn)重新排列，以完成晶體結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變。在有序-無序相變中，原子的擴(kuò)散使得合金從有序結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)闊o序結(jié)構(gòu)，或者從無序結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)橛行蚪Y(jié)構(gòu)。原子擴(kuò)散的速率與溫度密切相關(guān)，溫度越高，原子的動能越大，擴(kuò)散速率也就越快。根據(jù)擴(kuò)散理論，原子的擴(kuò)散系數(shù)與溫度之間存在指數(shù)關(guān)系，即擴(kuò)散系數(shù)隨著溫度的升高而增大。在Mn基鐵磁形狀記憶合金中，原子擴(kuò)散還受到合金成分、晶體結(jié)構(gòu)等因素的影響。不同元素的原子在合金中的擴(kuò)散能力不同，一些元素的原子可能具有較高的擴(kuò)散激活能，導(dǎo)致其擴(kuò)散速率較慢。晶體結(jié)構(gòu)的缺陷，如位錯、空位等，也會影響原子的擴(kuò)散路徑和速率。位錯可以作為原子擴(kuò)散的快速通道，促進(jìn)原子的擴(kuò)散。界面移動是相變動力學(xué)中的另一個關(guān)鍵過程。在馬氏體相變中，奧氏體相和馬氏體相之間的相界面會隨著相變的進(jìn)行而移動。相界面的移動速率決定了相變的速率。相界面的移動受到多種因素的影響，包括相變驅(qū)動力、界面能、晶體缺陷等。相變驅(qū)動力越大，相界面受到的推動作用就越強(qiáng)，移動速率也就越快。界面能則是相界面移動的阻力，界面能越低，相界面越容易移動。晶體缺陷，如位錯、晶界等，會影響相界面的穩(wěn)定性和移動方式。位錯可以與相界面相互作用，改變相界面的形態(tài)和移動方向。晶界作為晶體結(jié)構(gòu)的不連續(xù)區(qū)域，具有較高的能量，相界面在晶界處的移動可能會受到阻礙。此外，相變動力學(xué)還與時(shí)間相關(guān)。相變過程通常可以分為形核和長大兩個階段。在形核階段，馬氏體相在奧氏體相中形成微小的晶核。晶核的形成需要克服一定的能量障礙，這個能量障礙與相變驅(qū)動力、界面能等因素有關(guān)。當(dāng)滿足一定的條件時(shí)，晶核才能穩(wěn)定存在并開始長大。在長大階段，馬氏體晶核通過原子的擴(kuò)散和相界面的移動不斷長大，直到奧氏體相全部轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體相。相變的時(shí)間與形核速率和長大速率密切相關(guān)。形核速率越快，單位時(shí)間內(nèi)形成的晶核數(shù)量就越多；長大速率越快，晶核長大的速度就越快。這兩個因素共同決定了相變的時(shí)間。在一些快速冷卻的條件下，由于形核速率較快，可能會形成大量細(xì)小的馬氏體晶核，從而使相變在較短的時(shí)間內(nèi)完成。而在一些緩慢冷卻的條件下，形核速率較慢，長大速率相對較快，可能會形成較大尺寸的馬氏體晶粒，相變時(shí)間也會相應(yīng)延長。3.3影響相變的因素3.3.1化學(xué)成分化學(xué)成分對Mn基鐵磁形狀記憶合金的相變有著至關(guān)重要的影響，不同元素的含量變化會顯著改變合金的相變溫度和相變過程。以典型的Ni-Mn-Sn合金為例，深入分析其成分變化對相變的影響具有重要意義。在Ni-Mn-Sn合金中，Ni元素的含量變化會對相變溫度產(chǎn)生明顯影響。研究表明，隨著Ni含量的增加，馬氏體相變起始溫度（Ms）通常會降低。這是因?yàn)镹i原子的加入改變了合金的晶體結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響了原子間的相互作用力。Ni原子的半徑與Mn、Sn原子有所不同，當(dāng)Ni含量增加時(shí)，會導(dǎo)致晶格常數(shù)發(fā)生變化，晶體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性也隨之改變。這種結(jié)構(gòu)的變化使得相變驅(qū)動力發(fā)生改變，從而降低了Ms溫度。當(dāng)Ni含量從一定比例增加時(shí)，合金的晶體結(jié)構(gòu)逐漸發(fā)生畸變，原子間的結(jié)合力減弱，使得馬氏體相變更難發(fā)生，需要更低的溫度來提供足夠的相變驅(qū)動力。Mn元素在Ni-Mn-Sn合金中起著關(guān)鍵作用，其含量的變化對相變有著復(fù)雜的影響。Mn元素不僅影響合金的晶體結(jié)構(gòu)，還對磁性和相變過程產(chǎn)生重要作用。當(dāng)Mn含量增加時(shí)，一方面，會導(dǎo)致合金的晶體結(jié)構(gòu)向更穩(wěn)定的方向轉(zhuǎn)變，從而提高馬氏體相的穩(wěn)定性。這可能會使Ms溫度升高。Mn原子與其他原子之間的相互作用較強(qiáng)，增加Mn含量可以增強(qiáng)原子間的結(jié)合力，使得馬氏體相在較高溫度下仍能保持穩(wěn)定。另一方面，Mn含量的增加也可能會影響合金的磁性，進(jìn)而影響相變過程。Mn元素的磁性較強(qiáng)，其含量的變化會改變合金內(nèi)部的磁相互作用，而磁相互作用又與相變過程密切相關(guān)。當(dāng)Mn含量過高時(shí)，可能會導(dǎo)致合金內(nèi)部的磁相互作用過于復(fù)雜，從而對相變產(chǎn)生不利影響。Sn元素的含量變化同樣對Ni-Mn-Sn合金的相變溫度和相變過程有著顯著影響。Sn原子的半徑較大，其在合金中的存在會對晶體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的影響。隨著Sn含量的增加，合金的晶格常數(shù)會發(fā)生變化，晶體結(jié)構(gòu)的對稱性也會改變。這種結(jié)構(gòu)的變化會影響相變驅(qū)動力和相變阻力，從而改變相變溫度。在一些研究中發(fā)現(xiàn)，適當(dāng)增加Sn含量可以提高M(jìn)s溫度。這是因?yàn)镾n原子的加入使得合金的晶體結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，馬氏體相變更容易發(fā)生，從而提高了Ms溫度。然而，當(dāng)Sn含量過高時(shí)，可能會導(dǎo)致合金的脆性增加，對合金的性能產(chǎn)生不利影響。除了主要元素Ni、Mn、Sn外，微量合金元素的添加也會對Ni-Mn-Sn合金的相變產(chǎn)生影響。添加微量的Co元素，可以改變合金的磁性和相變行為。Co元素具有較強(qiáng)的磁性，它的加入會改變合金內(nèi)部的磁相互作用，進(jìn)而影響相變過程。研究表明，適量的Co添加可以細(xì)化合金的晶粒，改善合金的力學(xué)性能，同時(shí)也可能對相變溫度和相變過程產(chǎn)生一定的調(diào)控作用。添加微量的Cu元素，可能會影響合金的電子結(jié)構(gòu)和晶體結(jié)構(gòu)，從而對相變產(chǎn)生影響。Cu元素的加入可能會導(dǎo)致合金中的電子云分布發(fā)生變化，進(jìn)而影響原子間的相互作用力和相變驅(qū)動力。3.3.2制備工藝制備工藝在Mn基鐵磁形狀記憶合金的相變過程中扮演著舉足輕重的角色，不同的制備工藝能夠顯著地調(diào)控合金的相變行為，進(jìn)而影響其性能。熔煉工藝作為合金制備的首要環(huán)節(jié)，對合金的成分均勻性和組織結(jié)構(gòu)有著基礎(chǔ)性的影響。在熔煉過程中，精確控制溫度、熔煉時(shí)間以及冷卻速度等參數(shù)，對于確保合金成分的均勻分布至關(guān)重要。采用真空熔煉工藝，可以有效減少雜質(zhì)的引入，提高合金的純度。在高溫熔煉過程中，通過充分?jǐn)嚢韬突旌希购辖鹬械母鞣N元素均勻分布，避免出現(xiàn)成分偏析現(xiàn)象。這種均勻的成分分布為后續(xù)的相變過程提供了良好的基礎(chǔ)。如果熔煉過程中成分不均勻，在相變時(shí)，不同區(qū)域的合金由于成分差異，其相變溫度和相變行為會不一致，從而導(dǎo)致合金內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力，影響合金的性能。例如，在Ni-Mn-Ga合金的熔煉中，若Mn元素分布不均勻，含Mn量高的區(qū)域和含Mn量低的區(qū)域相變溫度會不同，在相變過程中會產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，降低合金的形狀記憶效應(yīng)和磁控形狀記憶效應(yīng)。熱處理工藝是調(diào)控合金相變的重要手段之一。不同的熱處理方式，如退火、淬火等，會對合金的微觀結(jié)構(gòu)和相變行為產(chǎn)生顯著影響。退火處理可以消除合金內(nèi)部的殘余應(yīng)力，改善晶體結(jié)構(gòu)的完整性。在適當(dāng)?shù)耐嘶饻囟群蜁r(shí)間條件下，合金中的位錯等缺陷會發(fā)生運(yùn)動和湮滅，晶體結(jié)構(gòu)逐漸趨于穩(wěn)定。這種穩(wěn)定的晶體結(jié)構(gòu)會影響相變的驅(qū)動力和阻力，從而改變相變溫度和相變過程。對于一些Mn基合金，經(jīng)過退火處理后，馬氏體相變起始溫度（Ms）可能會發(fā)生變化。淬火處理則是將合金快速冷卻，抑制原子的擴(kuò)散，使合金保留高溫相的部分結(jié)構(gòu)特征。在快速淬火過程中，合金中的原子來不及進(jìn)行充分的擴(kuò)散和重新排列，從而形成了具有特定結(jié)構(gòu)的亞穩(wěn)相。這種亞穩(wěn)相在后續(xù)的加熱或冷卻過程中，會發(fā)生不同的相變行為。在Ni-Mn-Sn合金的淬火處理中，快速冷卻可能會使合金形成過飽和固溶體，在后續(xù)的加熱過程中，過飽和固溶體分解，發(fā)生相變，且相變溫度和相變路徑與未淬火處理的合金有所不同。快淬工藝是一種快速凝固的制備方法，能夠使合金在極短的時(shí)間內(nèi)從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)。在快淬過程中，由于冷卻速度極快，合金中的原子來不及進(jìn)行長程擴(kuò)散，從而形成了具有特殊微觀結(jié)構(gòu)的非晶態(tài)或微晶態(tài)合金。這種特殊的微觀結(jié)構(gòu)賦予了合金獨(dú)特的相變特性。快淬制備的Mn基鐵磁形狀記憶合金，其晶體結(jié)構(gòu)可能存在大量的晶格畸變和缺陷，這些晶格畸變和缺陷會增加合金的內(nèi)能，改變相變的驅(qū)動力。由于快淬合金的晶粒尺寸細(xì)小，晶界面積增大，晶界對相變過程中的原子擴(kuò)散和界面移動也會產(chǎn)生影響。研究表明，快淬制備的Ni-Mn-Ga合金，其馬氏體相變起始溫度可能會比常規(guī)熔煉制備的合金更高，且相變過程更加復(fù)雜。這是因?yàn)榭齑氵^程中形成的特殊微觀結(jié)構(gòu)，使得合金內(nèi)部的原子排列更加無序，增加了相變的難度，需要更高的溫度來提供足夠的相變驅(qū)動力。同時(shí)，細(xì)小的晶粒和大量的晶界也會影響馬氏體變體的形成和生長，導(dǎo)致相變過程出現(xiàn)更多的變化。3.3.3外部條件（如溫度、壓力、磁場）外部條件對Mn基鐵磁形狀記憶合金的相變有著顯著的影響，溫度、壓力和磁場等因素能夠改變合金的相變行為，揭示這些影響規(guī)律對于深入理解合金的性能和應(yīng)用具有重要意義。溫度是影響Mn基鐵磁形狀記憶合金相變的最基本因素之一。隨著溫度的變化，合金會發(fā)生馬氏體相變和奧氏體相變等。在降溫過程中，當(dāng)溫度降低到馬氏體相變起始溫度（Ms）時(shí)，合金開始從奧氏體相轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體相。隨著溫度繼續(xù)降低，馬氏體相的含量逐漸增加，直到溫度降低到馬氏體相變結(jié)束溫度（Mf）時(shí)，合金全部轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體相。在升溫過程中，當(dāng)溫度升高到奧氏體相變起始溫度（As）時(shí)，馬氏體相開始向奧氏體相轉(zhuǎn)變，直到溫度升高到奧氏體相變結(jié)束溫度（Af）時(shí)，合金完全轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體相。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，對于Ni-Mn-Ga合金，其Ms溫度約為100K，As溫度約為120K。溫度的變化不僅影響相變的起始和結(jié)束溫度，還會影響相變的速率和過程。在快速冷卻或加熱過程中，由于溫度變化速率較快，相變可能會出現(xiàn)滯后現(xiàn)象。在快速冷卻時(shí)，馬氏體相變可能會在低于Ms溫度的一定范圍內(nèi)才開始發(fā)生，這是因?yàn)榭焖倮鋮s使得原子來不及進(jìn)行充分的擴(kuò)散和重新排列，需要更大的過冷度來提供相變驅(qū)動力。壓力作為一種外部條件，對Mn基鐵磁形狀記憶合金的相變也有著重要影響。施加外部壓力會改變合金內(nèi)部的原子間距和晶體結(jié)構(gòu)，從而影響相變過程。研究表明，隨著壓力的增加，馬氏體相變起始溫度（Ms）通常會升高。這是因?yàn)閴毫Φ淖饔檬沟煤辖饍?nèi)部的原子間距減小，原子間的相互作用力增強(qiáng)，馬氏體相的穩(wěn)定性提高，從而需要更高的溫度才能發(fā)生馬氏體相變。在對Ni-Mn-Sn合金施加壓力的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)壓力從常壓增加到一定值時(shí)，Ms溫度升高了約20K。壓力還會影響相變的晶體學(xué)特征。在高壓條件下，馬氏體相變可能會出現(xiàn)不同的變體，相變過程中的晶體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變路徑也可能發(fā)生改變。這是因?yàn)閴毫Ω淖兞司w的對稱性和原子的排列方式，使得相變過程中的能量變化和原子運(yùn)動方式發(fā)生變化。磁場是Mn基鐵磁形狀記憶合金區(qū)別于其他形狀記憶合金的重要外部影響因素，它對合金的相變行為有著獨(dú)特的調(diào)控作用。在磁場作用下，合金的相變溫度和相變過程會發(fā)生顯著變化。對于一些Mn基鐵磁形狀記憶合金，施加磁場可以降低馬氏體相變起始溫度（Ms）。這是因?yàn)榇艌雠c合金中的磁性相互作用，改變了合金的自由能，從而影響了相變驅(qū)動力。當(dāng)施加磁場時(shí)，合金中的原子磁矩會發(fā)生有序排列，產(chǎn)生磁致伸縮效應(yīng)，這種效應(yīng)會改變合金的晶體結(jié)構(gòu)和原子間的相互作用力，使得馬氏體相變更容易發(fā)生，從而降低了Ms溫度。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，在Ni-Mn-Ga合金中，當(dāng)施加一定強(qiáng)度的磁場時(shí)，Ms溫度可降低約10K。磁場還可以影響馬氏體變體的取向和分布。在磁場作用下，馬氏體變體傾向于沿著磁場方向排列，從而改變了合金的磁致應(yīng)變性能。當(dāng)磁場強(qiáng)度增加時(shí)，馬氏體變體的取向更加一致，合金的磁致應(yīng)變也會增大。四、Mn基鐵磁形狀記憶合金的磁性4.1磁性來源與本質(zhì)Mn基鐵磁形狀記憶合金呈現(xiàn)出獨(dú)特的磁性，其磁性主要來源于Mn原子的未成對電子。在Mn原子的電子結(jié)構(gòu)中，3d軌道含有多個未成對電子，這些未成對電子的自旋磁矩和軌道磁矩共同構(gòu)成了原子磁矩。在Mn基合金中，Mn原子的原子磁矩在一定條件下會發(fā)生有序排列，從而使合金表現(xiàn)出宏觀的鐵磁性。以常見的Ni-Mn-Ga合金為例，Mn原子的未成對電子在合金的磁性中起著關(guān)鍵作用。在該合金中，Mn原子與其他原子（如Ni、Ga）之間存在著復(fù)雜的相互作用，這些相互作用影響著Mn原子磁矩的排列方式。當(dāng)合金處于一定的溫度和磁場條件下時(shí)，Mn原子的磁矩會趨于平行排列，產(chǎn)生自發(fā)磁化現(xiàn)象，使合金具有鐵磁性。合金中原子之間的交換相互作用是決定磁性的重要因素。交換相互作用是一種量子力學(xué)效應(yīng)，它源于相鄰原子磁矩之間的相互耦合。在Mn基鐵磁形狀記憶合金中，交換相互作用主要包括Mn-Mn之間的交換相互作用以及Mn與其他原子（如Ni、Ga等）之間的交換相互作用。這些交換相互作用的強(qiáng)度和性質(zhì)對合金的磁性有著顯著影響。Mn-Mn之間的交換相互作用較為復(fù)雜，其作用強(qiáng)度和方向與Mn-Mn之間的距離以及原子的相對位置有關(guān)。在一些Mn基合金中，當(dāng)Mn-Mn原子間距處于特定范圍時(shí)，Mn原子磁矩之間會呈現(xiàn)鐵磁耦合，使得相鄰Mn原子的磁矩平行排列，增強(qiáng)合金的鐵磁性。然而，當(dāng)Mn-Mn原子間距發(fā)生變化或原子的相對位置改變時(shí)，Mn-Mn之間的交換相互作用可能會轉(zhuǎn)變?yōu)榉磋F磁耦合，導(dǎo)致相鄰Mn原子的磁矩反平行排列，削弱合金的鐵磁性。Mn與其他原子之間的交換相互作用也會影響合金的磁性。在Ni-Mn-Ga合金中，Mn與Ni、Ga原子之間的交換相互作用會影響Mn原子磁矩的取向和排列，進(jìn)而改變合金的磁性。研究表明，通過調(diào)整合金中元素的含量和分布，可以改變原子之間的交換相互作用，從而實(shí)現(xiàn)對合金磁性的調(diào)控。當(dāng)增加Ni元素的含量時(shí)，Ni與Mn原子之間的交換相互作用可能會增強(qiáng)，導(dǎo)致Mn原子磁矩的排列方式發(fā)生變化，進(jìn)而影響合金的磁化強(qiáng)度和磁各向異性。晶體結(jié)構(gòu)對Mn基鐵磁形狀記憶合金的磁性也有著重要影響。不同的晶體結(jié)構(gòu)會導(dǎo)致原子的排列方式和原子間的距離不同，從而影響原子磁矩的相互作用和排列，最終影響合金的磁性。在L2?結(jié)構(gòu)的Mn基合金中，原子按特定的方式排列，這種有序的排列方式使得原子磁矩之間的相互作用較為規(guī)則。在這種結(jié)構(gòu)下，合金通常具有較高的磁有序溫度，能夠在一定溫度范圍內(nèi)保持良好的鐵磁性。而在其他晶體結(jié)構(gòu)中，原子的排列方式和原子間的相互作用可能會有所不同，導(dǎo)致合金的磁性表現(xiàn)出差異。在一些具有B2結(jié)構(gòu)的Mn基合金中，原子的排列方式與L2?結(jié)構(gòu)不同，原子磁矩之間的相互作用也會發(fā)生變化，可能會導(dǎo)致合金的磁各向異性和磁化強(qiáng)度等磁性參數(shù)發(fā)生改變。此外，晶體結(jié)構(gòu)中的缺陷（如位錯、空位等）也會對合金的磁性產(chǎn)生影響。位錯可以作為原子磁矩的散射中心，改變原子磁矩的排列方向，從而影響合金的磁性。空位的存在會導(dǎo)致原子間的距離發(fā)生變化，進(jìn)而影響原子磁矩之間的相互作用，對合金的磁性產(chǎn)生影響。4.2磁性特征與參數(shù)4.2.1磁化曲線與磁滯回線磁化曲線和磁滯回線是研究Mn基鐵磁形狀記憶合金磁性的重要工具，它們能夠直觀地反映合金在不同磁場條件下的磁化行為和磁特性。當(dāng)對Mn基鐵磁形狀記憶合金施加外磁場時(shí)，合金的磁化強(qiáng)度會隨著磁場強(qiáng)度的變化而改變，這種變化關(guān)系可以用磁化曲線來描述。以典型的Ni-Mn-Ga合金為例，在初始狀態(tài)下，合金的磁化強(qiáng)度為零。隨著外磁場強(qiáng)度逐漸增加，合金中的磁疇開始逐漸轉(zhuǎn)向外磁場方向，磁化強(qiáng)度也隨之逐漸增大。在這個階段，磁化曲線呈現(xiàn)出較為平緩的上升趨勢。當(dāng)外磁場強(qiáng)度繼續(xù)增大到一定程度時(shí)，合金中的磁疇幾乎全部轉(zhuǎn)向外磁場方向，磁化強(qiáng)度達(dá)到飽和值，此時(shí)磁化曲線趨于平緩，合金進(jìn)入飽和磁化狀態(tài)。在飽和磁化狀態(tài)下，即使進(jìn)一步增大外磁場強(qiáng)度，合金的磁化強(qiáng)度也不會再明顯增加。磁滯回線則是描述合金在交變磁場作用下磁化強(qiáng)度與磁場強(qiáng)度之間的關(guān)系曲線。當(dāng)合金在交變磁場中經(jīng)歷一個完整的磁化周期時(shí)，會形成一條閉合的磁滯回線。從初始狀態(tài)開始，隨著外磁場強(qiáng)度逐漸增大，合金的磁化強(qiáng)度沿著磁化曲線上升，當(dāng)磁場強(qiáng)度達(dá)到最大值（飽和磁場強(qiáng)度）時(shí)，磁化強(qiáng)度也達(dá)到飽和值。然后，逐漸減小外磁場強(qiáng)度，此時(shí)磁化強(qiáng)度并不會沿著原來的磁化曲線下降，而是滯后于磁場強(qiáng)度的變化，表現(xiàn)出磁滯現(xiàn)象。當(dāng)外磁場強(qiáng)度減小到零時(shí)，合金仍然保留一定的磁化強(qiáng)度，這個剩余的磁化強(qiáng)度稱為剩磁（Br）。剩磁反映了合金在去除外磁場后保持磁化狀態(tài)的能力，剩磁越大，說明合金保留磁性的能力越強(qiáng)。為了使合金的磁化強(qiáng)度降為零，需要施加一個反向的磁場，這個反向磁場的強(qiáng)度稱為矯頑力（Hc）。矯頑力是衡量合金抵抗退磁能力的重要參數(shù)，矯頑力越大，說明合金越不容易被退磁。繼續(xù)增大反向磁場強(qiáng)度，合金的磁化強(qiáng)度會逐漸反向增大，當(dāng)反向磁場強(qiáng)度達(dá)到一定值時(shí)，合金進(jìn)入反向飽和磁化狀態(tài)。然后，再逐漸減小反向磁場強(qiáng)度，磁化強(qiáng)度又會滯后變化，當(dāng)反向磁場強(qiáng)度減小到零時(shí)，合金又會保留一定的反向剩磁。當(dāng)再次施加正向磁場時(shí)，磁化強(qiáng)度會沿著反向磁滯回線逐漸回到正向飽和磁化狀態(tài)，完成一個完整的磁滯回線。剩磁和矯頑力等參數(shù)在實(shí)際應(yīng)用中具有重要意義。在磁性存儲領(lǐng)域，剩磁的大小直接影響著存儲信息的穩(wěn)定性。較高的剩磁可以使存儲介質(zhì)在沒有外部磁場的情況下長時(shí)間保留存儲的信息，從而提高存儲的可靠性。而矯頑力則決定了對存儲信息進(jìn)行擦除和改寫的難易程度。如果矯頑力過大，擦除和改寫信息需要較大的磁場強(qiáng)度，這可能會增加設(shè)備的能耗和成本；如果矯頑力過小，存儲的信息容易受到外界磁場的干擾而丟失。因此，在設(shè)計(jì)磁性存儲介質(zhì)時(shí)，需要根據(jù)實(shí)際需求合理調(diào)整合金的剩磁和矯頑力。在電機(jī)和變壓器等磁性器件中，磁滯回線所包圍的面積代表了磁滯損耗。磁滯損耗會導(dǎo)致能量的浪費(fèi)，降低器件的效率。因此，在選擇和設(shè)計(jì)電機(jī)、變壓器等磁性器件時(shí)，通常希望合金具有較小的矯頑力和較小的磁滯回線面積，以減少磁滯損耗，提高器件的效率。通過優(yōu)化合金的成分和制備工藝，可以調(diào)整合金的磁滯特性，降低磁滯損耗，提高磁性器件的性能。4.2.2居里溫度居里溫度是Mn基鐵磁形狀記憶合金的一個重要磁性參數(shù)，它標(biāo)志著合金磁性狀態(tài)的轉(zhuǎn)變，對合金的應(yīng)用和性能研究具有關(guān)鍵意義。居里溫度（Tc）的定義為：當(dāng)溫度升高到某一特定值時(shí)，鐵磁材料會從鐵磁狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)轫槾艩顟B(tài)，這個溫度即為居里溫度。在居里溫度以下，Mn基鐵磁形狀記憶合金內(nèi)部存在著自發(fā)磁化的磁疇，這些磁疇的磁矩在沒有外磁場作用時(shí)也會呈現(xiàn)出有序排列，使得合金表現(xiàn)出宏觀的鐵磁性。當(dāng)溫度升高到居里溫度以上時(shí)，由于熱運(yùn)動的加劇，磁疇的磁矩排列變得無序，合金的自發(fā)磁化強(qiáng)度降為零，合金從鐵磁性轉(zhuǎn)變?yōu)轫槾判浴Ｔ贜i-Mn-Ga合金中，當(dāng)溫度低于居里溫度時(shí)，合金具有較強(qiáng)的鐵磁性，能夠被外部磁場強(qiáng)烈磁化；當(dāng)溫度升高到居里溫度以上時(shí)，合金的磁性顯著減弱，幾乎不再被外部磁場磁化。測量居里溫度的方法有多種，其中常用的包括熱磁法和交流磁化率法。熱磁法是通過測量合金在升溫過程中磁化率的突變來確定居里溫度。具體操作時(shí)，將合金樣品置于一個可精確控制溫度的環(huán)境中，同時(shí)使用磁強(qiáng)計(jì)測量樣品的磁化率。隨著溫度逐漸升高，合金的磁化率會發(fā)生變化。當(dāng)溫度接近居里溫度時(shí)，磁化率會出現(xiàn)急劇下降的突變，這個突變點(diǎn)所對應(yīng)的溫度即為居里溫度。交流磁化率法則是通過測量合金在交變磁場中的磁化率與溫度的關(guān)系來確定居里溫度。將合金樣品置于交變磁場中，逐漸改變溫度，同時(shí)記錄樣品的磁化率。當(dāng)溫度達(dá)到居里溫度時(shí)，合金的磁化率會發(fā)生明顯的變化，通過分析磁化率與溫度的關(guān)系曲線，可以確定居里溫度。居里溫度受到多種因素的影響。合金的化學(xué)成分是影響居里溫度的重要因素之一。不同元素的加入會改變合金的晶體結(jié)構(gòu)和原子間的相互作用，從而影響居里溫度。在Ni-Mn-Ga合金中，改變Mn、Ni、Ga等元素的含量會對居里溫度產(chǎn)生顯著影響。增加Mn元素的含量，可能會使合金的居里溫度升高。這是因?yàn)镸n原子的磁性較強(qiáng)，增加Mn含量會增強(qiáng)合金內(nèi)部的磁相互作用，使得磁疇的穩(wěn)定性提高，從而需要更高的溫度才能破壞磁疇的有序排列，導(dǎo)致居里溫度升高。而增加Ga元素的含量，則可能會使居里溫度降低。這是因?yàn)镚a原子的加入可能會改變合金的晶體結(jié)構(gòu)，削弱原子間的磁相互作用，使得磁疇更容易被熱運(yùn)動破壞，從而降低了居里溫度。晶體結(jié)構(gòu)對居里溫度也有影響。不同的晶體結(jié)構(gòu)具有不同的原子排列方式和原子間距離，這會影響原子磁矩之間的相互作用，進(jìn)而影響居里溫度。在一些具有不同晶體結(jié)構(gòu)的Mn基鐵磁形狀記憶合金中，由于晶體結(jié)構(gòu)的差異，居里溫度也會有所不同。具有L2?結(jié)構(gòu)的合金和具有B2結(jié)構(gòu)的合金，它們的居里溫度可能會因?yàn)榫w結(jié)構(gòu)的不同而存在差異。制備工藝也會對居里溫度產(chǎn)生影響。不同的制備工藝會導(dǎo)致合金的微觀結(jié)構(gòu)和缺陷分布不同，從而影響居里溫度。采用快速凝固工藝制備的合金，由于其微觀結(jié)構(gòu)較為細(xì)小，缺陷較多，可能會使居里溫度發(fā)生變化。一些經(jīng)過退火處理的合金，由于消除了內(nèi)部的應(yīng)力和缺陷，晶體結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，居里溫度可能會相對穩(wěn)定。4.3影響磁性的因素4.3.1晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)對Mn基鐵磁形狀記憶合金的磁性有著至關(guān)重要的影響，不同的晶體結(jié)構(gòu)決定了原子的排列方式和原子間的距離，進(jìn)而影響原子磁矩的相互作用和排列，最終改變合金的磁性。在Mn基鐵磁形狀記憶合金中，常見的晶體結(jié)構(gòu)如L2?和B2等，它們的晶格常數(shù)和原子間距存在差異，這些差異會顯著影響合金的磁性。以L2?結(jié)構(gòu)的Ni?MnGa合金為例，其晶格常數(shù)和原子間距的變化會導(dǎo)致原子磁矩之間的相互作用發(fā)生改變。當(dāng)晶格常數(shù)增大時(shí)，原子間距相應(yīng)增大，原子磁矩之間的交換相互作用會減弱。在一些研究中發(fā)現(xiàn)，通過改變合金的成分或制備工藝，使L2?結(jié)構(gòu)的Ni?MnGa合金晶格常數(shù)增大，合金的磁有序溫度會降低。這是因?yàn)樵娱g距的增大使得原子磁矩之間的耦合作用減弱，磁疇的穩(wěn)定性降低，從而導(dǎo)致磁有序溫度下降。反之，當(dāng)晶格常數(shù)減小時(shí)，原子間距減小，原子磁矩之間的交換相互作用增強(qiáng)，合金的磁有序溫度可能會升高。在某些情況下，通過特定的熱處理工藝，使合金的晶格常數(shù)減小，原子磁矩之間的相互作用增強(qiáng)，合金的磁致應(yīng)變性能得到改善。這是因?yàn)樵娱g距的減小使得原子磁矩在磁場作用下更容易發(fā)生有序排列，從而產(chǎn)生更大的磁致應(yīng)變。晶體結(jié)構(gòu)的對稱性也對合金的磁性有著重要影響。高對稱性的晶體結(jié)構(gòu)通常具有較為規(guī)則的原子排列方式，原子磁矩之間的相互作用較為均勻。在L2?結(jié)構(gòu)中，原子按特定的方式排列，這種有序的排列方式使得原子磁矩之間的相互作用較為規(guī)則，合金的磁各向異性相對較小。而低對稱性的晶體結(jié)構(gòu)，如一些馬氏體相的結(jié)構(gòu)，原子排列的對稱性較低，原子磁矩之間的相互作用存在差異，導(dǎo)致合金的磁各向異性增大。在一些具有低對稱性馬氏體結(jié)構(gòu)的Mn基合金中，由于原子排列的不對稱性，不同方向上的原子磁矩之間的相互作用不同，使得合金在不同方向上的磁性表現(xiàn)出明顯差異。在磁場作用下，合金在某些方向上更容易發(fā)生磁化，而在其他方向上則相對較難，這種磁各向異性的變化會影響合金在實(shí)際應(yīng)用中的性能。晶體結(jié)構(gòu)中的缺陷，如位錯、空位等，也會對Mn基鐵磁形狀記憶合金的磁性產(chǎn)生影響。位錯作為晶體結(jié)構(gòu)中的線缺陷，會導(dǎo)致晶體結(jié)構(gòu)的局部畸變。在Mn基合金中，位錯周圍的原子排列發(fā)生改變，原子間距和原子磁矩的方向也會受到影響。位錯可以作為原子磁矩的散射中心，改變原子磁矩的排列方向，從而影響合金的磁性。在一些含有位錯的Mn基鐵磁形狀記憶合金中，位錯的存在會導(dǎo)致合金的磁化曲線發(fā)生變化，矯頑力增大。這是因?yàn)槲诲e阻礙了磁疇的運(yùn)動，使得合金在磁化過程中需要克服更大的阻力。空位是晶體結(jié)構(gòu)中的點(diǎn)缺陷，空位的存在會導(dǎo)致原子間的距離發(fā)生變化，進(jìn)而影響原子磁矩之間的相互作用。在含有空位的Mn基合金中，由于原子間距離的改變，原子磁矩之間的交換相互作用可能會增強(qiáng)或減弱，從而影響合金的磁性。在一些研究中發(fā)現(xiàn)，適量的空位可以增強(qiáng)合金的磁性，這是因?yàn)榭瘴坏拇嬖诟淖兞嗽拥碾娮釉品植迹沟迷哟啪刂g的相互作用增強(qiáng)。然而，過多的空位可能會導(dǎo)致合金的磁性下降，因?yàn)檫^多的空位會破壞晶體結(jié)構(gòu)的完整性，削弱原子磁矩之間的相互作用。4.3.2元素?fù)诫s元素?fù)诫s是調(diào)控Mn基鐵磁形狀記憶合金磁性的重要手段之一，通過向合金中引入特定的元素，可以改變合金的晶體結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)以及原子間的相互作用，從而對合金的磁性產(chǎn)生顯著影響。以Fe摻雜Mn??Ni????Fe?Sn?合金為例，深入研究摻雜元素對磁性的影響機(jī)制具有重要意義。在Mn??Ni????Fe?Sn?合金中，隨著Fe含量的增加，合金的磁性發(fā)生了明顯的變化。從晶體結(jié)構(gòu)的角度來看，F(xiàn)e原子的半徑與Mn、Ni、Sn原子有所不同，當(dāng)Fe原子進(jìn)入合金晶格后，會導(dǎo)致晶格發(fā)生畸變。這種晶格畸變會改變原子間的距離和相互作用，進(jìn)而影響合金的磁性。在一些研究中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)Fe含量較低時(shí)，F(xiàn)e原子主要替代Ni原子的位置。由于Fe原子的磁矩較大，其替代Ni原子后，會增強(qiáng)合金的磁性。隨著Fe含量的增加，F(xiàn)e原子可能會占據(jù)不同的晶格位置，導(dǎo)致晶格畸變加劇，原子間的相互作用變得更加復(fù)雜。當(dāng)Fe含量過高時(shí)，晶格畸變可能會導(dǎo)致合金的晶體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性下降，從而對合金的磁性產(chǎn)生不利影響。從電子結(jié)構(gòu)的角度分析，F(xiàn)e摻雜會改變合金的電子云分布。Fe原子的3d電子具有較高的局域性，其摻雜會導(dǎo)致合金中電子的自旋-軌道耦合作用發(fā)生變化。這種變化會影響原子磁矩之間的交換相互作用，從而改變合金的磁性。在Mn??Ni????Fe?Sn?合金中，當(dāng)Fe含量增加時(shí)，合金的磁化強(qiáng)度可能會先增加后減小。這是因?yàn)樵诘虵e含量時(shí)，F(xiàn)e原子的摻雜增強(qiáng)了原子磁矩之間的鐵磁耦合作用，使得合金的磁化強(qiáng)度增大。然而，當(dāng)Fe含量過高時(shí)，由于電子云分布的變化，可能會導(dǎo)致原子磁矩之間出現(xiàn)反鐵磁耦合作用，從而使合金的磁化強(qiáng)度減小。此外，F(xiàn)e摻雜還會對Mn??Ni????Fe?Sn?合金的磁各向異性產(chǎn)生影響。磁各向異性是指合金在不同方向上的磁性差異，它與合金的晶體結(jié)構(gòu)和原子磁矩的排列方式密切相關(guān)。Fe原子的摻雜會改變合金的晶體結(jié)構(gòu)和原子磁矩之間的相互作用，從而影響磁各向異性。在一些研究中發(fā)現(xiàn)，隨著Fe含量的增加，合金的磁各向異性常數(shù)可能會發(fā)生變化。這是因?yàn)镕e原子的摻雜導(dǎo)致原子磁矩在不同方向上的排列方式發(fā)生改變，使得合金在不同方向上的磁性表現(xiàn)出差異。當(dāng)Fe含量達(dá)到一定值時(shí)，合金的磁各向異性可能會發(fā)生顯著變化，這對于合金在一些需要特定磁各向異性的應(yīng)用中具有重要意義。4.3.3微觀組織微觀組織是影響Mn基鐵磁形狀記憶合金磁性的關(guān)鍵因素之一，晶粒尺寸、第二相析出等微觀組織特征對合金的磁性有著顯著的影響。晶粒尺寸對Mn基鐵磁形狀記憶合金的磁性有著重要影響。當(dāng)晶粒尺寸減小時(shí)，晶界面積增大，晶界對磁性的影響變得更加顯著。晶界是晶體結(jié)構(gòu)中的不連續(xù)區(qū)域，具有較高的能量和原子排列的無序性。在Mn基合金中，晶界處的原子磁矩排列往往與晶粒內(nèi)部不同，晶界的存在會影響原子磁矩之間的相互作用和磁疇的形成與運(yùn)動。在一些研究中發(fā)現(xiàn)，細(xì)晶粒的Mn基鐵磁形狀記憶合金具有較高的矯頑力。這是因?yàn)榧?xì)晶粒合金中晶界面積大，晶界對磁疇的釘扎作用增強(qiáng)，使得磁疇在磁化過程中難以移動，從而增加了合金的矯頑力。細(xì)晶粒合金中的晶界還可能會影響原子磁矩之間的交換相互作用，導(dǎo)致合金的磁化曲線發(fā)生變化。由于晶界處原子排列的無序性，原子磁矩之間的交換相互作用可能會減弱，使得合金在磁化過程中需要更大的磁場才能達(dá)到飽和磁化狀態(tài)。然而，晶粒尺寸過小也可能會導(dǎo)致合金的磁性下降。當(dāng)晶粒尺寸減小到一定程度時(shí)，量子尺寸效應(yīng)可能會起作用，導(dǎo)致原子磁矩的穩(wěn)定性降低，從而影響合金的磁性。第二相析出也是影響Mn基鐵磁形狀記憶合金磁性的重要微觀組織因素。當(dāng)合金中存在第二相析出時(shí)，第二相的性質(zhì)、尺寸和分布會對合金的磁性產(chǎn)生影響。第二相的存在會改變合金的微觀結(jié)構(gòu)和原子間的相互作用。在一些Mn基合金中，第二相可能是磁性相或非磁性相。如果第二相是磁性相，它與基體相之間的磁相互作用會影響合金的整體磁性。當(dāng)?shù)诙酁殍F磁性相且與基體相具有良好的磁耦合時(shí)，可能會增強(qiáng)合金的磁性。相反，如果第二相為非磁性相，它會阻礙磁疇的運(yùn)動，從而影響合金的磁性。在一些含有非磁性第二相顆粒的Mn基合金中，第二相顆粒會對磁疇產(chǎn)生釘扎作用，增加磁疇運(yùn)動的阻力，導(dǎo)致合金的矯頑力增大，磁化曲線發(fā)生變化。第二相的尺寸和分布也會影響合金的磁性。細(xì)小且均勻分布的第二相顆粒對磁疇的釘扎作用相對較小，對合金磁性的影響也相對較小。而粗大且不均勻分布的第二相顆粒則會對磁疇產(chǎn)生較強(qiáng)的釘扎作用，嚴(yán)重影響合金的磁性。五、相變與磁性的耦合關(guān)系5.1耦合機(jī)制磁彈耦合是Mn基鐵磁形狀記憶合金中相變與磁性耦合的重要機(jī)制之一。其本質(zhì)源于合金中磁化強(qiáng)度與彈性應(yīng)變之間的相互作用。當(dāng)合金發(fā)生馬氏體相變時(shí)，晶體結(jié)構(gòu)的變化會導(dǎo)致晶格發(fā)生畸變，從而產(chǎn)生彈性應(yīng)變。這種彈性應(yīng)變會與合金的磁化強(qiáng)度相互耦合，影響合金的磁性。在Ni-Mn-Ga合金中，馬氏體相變時(shí)晶體結(jié)構(gòu)從奧氏體相的L2?結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體相的5M、7M等結(jié)構(gòu)，晶格發(fā)生明顯的畸變。這種晶格畸變產(chǎn)生的彈性應(yīng)變會改變合金內(nèi)部的磁相互作用，進(jìn)而影響合金的磁化強(qiáng)度和磁各向異性。從微觀角度來看，磁彈耦合涉及到原子磁矩與晶格畸變之間的相互作用。當(dāng)晶格發(fā)生畸變時(shí)，原子間的距離和相對位置會發(fā)生改變，這會影響原子磁矩之間的交換相互作用。在Mn基合金中，原子磁矩主要來源于Mn原子的未成對電子，晶格畸變會改變Mn原子之間的距離和相對位置，使得Mn原子磁矩之間的交換相互作用增強(qiáng)或減弱，從而導(dǎo)致合金的磁性發(fā)生變化。當(dāng)晶格畸變使得Mn原子之間的距離減小，原子磁矩之間的交換相互作用增強(qiáng)時(shí)，合金的磁化強(qiáng)度可能會增大。磁致伸縮是磁彈耦合的一種宏觀表現(xiàn)，指的是材料在磁場作用下發(fā)生尺寸變化的現(xiàn)象。在Mn基鐵磁形狀記憶合金中，磁致伸縮效應(yīng)較為顯著。當(dāng)施加外部磁場時(shí)，合金中的磁疇會發(fā)生取向變化，導(dǎo)致合金內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力，進(jìn)而引起合金的尺寸變化。在Ni-Mn-Ga合金中，當(dāng)施加磁場時(shí)，磁疇會逐漸轉(zhuǎn)向磁場方向，由于磁疇的取向變化，合金內(nèi)部會產(chǎn)生應(yīng)力。這種應(yīng)力會使合金發(fā)生彈性變形，表現(xiàn)為尺寸的伸長或縮短。磁致伸縮效應(yīng)與合金的晶體結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。不同的晶體結(jié)構(gòu)具有不同的磁致伸縮系數(shù)，這決定了合金在磁場作用下尺寸變化的程度。在L2?結(jié)構(gòu)的Mn基合金中，由于原子排列的有序性，磁致伸縮系數(shù)相對較小。而在馬氏體相的結(jié)構(gòu)中，由于晶體結(jié)構(gòu)的對稱性較低，原子排列的不規(guī)則性增加，磁致伸縮系數(shù)可能會增大。此外，磁致伸縮效應(yīng)還受到合金成分、溫度等因素的影響。合金成分的變化會改變原子間的相互作用和晶體結(jié)構(gòu)，從而影響磁致伸縮系數(shù)。溫度的變化會影響合金的磁性和晶體結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響磁致伸縮效應(yīng)。當(dāng)溫度升高時(shí)，合金的磁性可能會減弱，磁致伸縮效應(yīng)也會相應(yīng)減小。除了磁彈耦合和磁致伸縮，Mn基鐵磁形狀記憶合金中還存在其他與相變和磁性耦合相關(guān)的機(jī)制，如磁晶各向異性與相變的相互影響。磁晶各向異性是指合金在不同晶體學(xué)方向上的磁性差異。在Mn基合金中，晶體結(jié)構(gòu)的變化會導(dǎo)致磁晶各向異性發(fā)生改變。在馬氏體相變過程中，晶體結(jié)構(gòu)從奧氏體相轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體相，磁晶各向異性會發(fā)生顯著變化。這種變化會影響合金在磁場中的磁化行為，進(jìn)而與相變過程相互耦合。當(dāng)馬氏體相變發(fā)生時(shí)，磁晶各向異性的改變會使得合金在某些方向上更容易被磁化，從而影響磁疇的取向和分布，進(jìn)一步影響相變的進(jìn)程。同時(shí)，相變過程中晶體結(jié)構(gòu)的變化也會導(dǎo)致磁晶各向異性的變化，形成一種相互影響的關(guān)系。5.2對合金性能的影響5.2.1磁熱效應(yīng)以Ni-Mn-Sn合金為典型代表，深入分析相變與磁性耦合對磁熱效應(yīng)的影響，對于探索其在磁制冷領(lǐng)域的應(yīng)用潛力具有重要意義。在Ni-Mn-Sn合金中，相變與磁性耦合對磁熱效應(yīng)產(chǎn)生了顯著影響。當(dāng)合金發(fā)生馬氏體相變時(shí)，晶體結(jié)構(gòu)的變化會導(dǎo)致磁性發(fā)生改變，進(jìn)而影響磁熱效應(yīng)。在馬氏體相變過程中，合金的磁化強(qiáng)度會發(fā)生變化。由于馬氏體相和奧氏體相具有不同的晶體結(jié)構(gòu)和原子排列方式，導(dǎo)致它們的磁性不同。當(dāng)合金從奧氏體相轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體相時(shí)，原子磁矩的排列方式發(fā)生改變，使得合金的磁化強(qiáng)度發(fā)生變化。這種磁化強(qiáng)度的變化與磁熱效應(yīng)密切相關(guān)。根據(jù)磁熱效應(yīng)的原理，當(dāng)材料的磁化強(qiáng)度發(fā)生變化時(shí)，會伴隨著熱量的吸收或釋放。在Ni-Mn-Sn合金中，馬氏體相變時(shí)磁化強(qiáng)度的變化會導(dǎo)致磁熱效應(yīng)的產(chǎn)生。當(dāng)合金從奧氏體相轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體相時(shí)，如果磁化強(qiáng)度減小，會釋放出熱量；反之，如果磁化強(qiáng)度增大，則會吸收熱量。合金的磁熵變是衡量磁熱效應(yīng)大小的重要參數(shù)。在Ni-Mn-Sn合金中，相變與磁性耦合會影響磁熵變的大小。研究表明，當(dāng)合金的相變溫度與居里溫度接近時(shí)，磁熵變會達(dá)到較大值。這是因?yàn)樵谶@種情況下，相變過程中的磁性變化更為顯著，導(dǎo)致磁熵變增大。當(dāng)合金的相變溫度與居里溫度相差較大時(shí)，磁熵變相對較小。通過調(diào)整合金的成分和制備工藝，可以改變合金的相變溫度和居里溫度，從而優(yōu)化磁熵變，提高磁熱效應(yīng)。通過添加適量的微量元素，如Fe、Co等，可以改變合金的晶體結(jié)構(gòu)和磁性，進(jìn)而調(diào)整相變溫度和居里溫度，使磁熵變達(dá)到更理想的值。從微觀角度來看，相變與磁性耦合對磁熱效應(yīng)的影響源于原子磁矩的變化和相互作用。在Ni-Mn-Sn合金中，Mn原子的磁矩對合金的磁性起著關(guān)鍵作用。在馬氏體相變過程中，Mn原子的磁矩會發(fā)生重新排列，導(dǎo)致原子磁矩之間的相互作用發(fā)生改變。這種原子磁矩的變化和相互作用的改變會影響合金的磁熱效應(yīng)。當(dāng)Mn原子磁矩的排列更加有序時(shí)，合金的磁性增強(qiáng)，磁熱效應(yīng)也會相應(yīng)增強(qiáng)。因此，通過控制合金的微觀結(jié)構(gòu)，如晶粒尺寸、晶界狀態(tài)等，可以調(diào)控原子磁矩的排列和相互作用，從而優(yōu)化磁熱效應(yīng)。細(xì)化晶粒尺寸可以增加晶界面積，晶界處的原子排列較為無序，可能會影響原子磁矩的排列和相互作用，進(jìn)而對磁熱效應(yīng)產(chǎn)生影響。在磁制冷領(lǐng)域，Ni-Mn-Sn合金的磁熱效應(yīng)具有巨大的應(yīng)用潛力。傳統(tǒng)的制冷技術(shù)主要依賴于壓縮-膨脹循環(huán)，使用氟利昂等制冷劑，這些制冷劑對環(huán)境造成了嚴(yán)重的破壞，如臭氧層空洞的形成。而磁制冷技術(shù)是一種基于磁熱效應(yīng)的新型制冷技術(shù)，具有環(huán)保、高效、節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)。利用Ni-Mn-Sn合金的磁熱效應(yīng)，可以設(shè)計(jì)出新型的磁制冷裝置。在這種裝置中，通過施加和去除磁場，使合金發(fā)生磁化和退磁過程，在磁化過程中，合金吸收熱量，在退磁過程中，合金釋放熱量，從而實(shí)現(xiàn)制冷效果。與傳統(tǒng)制冷技術(shù)相比，磁制冷技術(shù)不需要使用對環(huán)境有害的制冷劑，減少了對環(huán)境的污染。磁制冷技術(shù)還具有較高的制冷效率和節(jié)能效果，能