stringtranslate.com

Магнитный сплав с эффектом памяти формы

Магнитные сплавы с памятью формы (MSMA), также называемые ферромагнитными сплавами с памятью формы (FSMA), являются особыми сплавами с памятью формы , которые производят силы и деформации в ответ на магнитное поле. Эффект тепловой памяти формы был получен также в этих материалах.

Введение

Сплавы MSM — это ферромагнитные материалы, способные производить движение и силы в умеренных магнитных полях. Обычно MSMA — это сплавы никеля, марганца и галлия (Ni-Mn-Ga).

Магнитно -индуцированная деформация около 0,2% была представлена ​​в 1996 году доктором Кари Уллакко и его коллегами в Массачусетском технологическом институте. [1] С тех пор усовершенствования в процессе производства и последующей обработке сплавов привели к деформациям до 6% для коммерчески доступных монокристаллических Ni-Mn-Ga MSM-элементов, [2] а также до 10-12% и 20% для новых сплавов на стадии НИОКР. [3] [4]

Большая магнитно-индуцированная деформация, а также короткое время отклика делают технологию MSM очень привлекательной для проектирования инновационных приводов, которые будут использоваться в пневматике, робототехнике, медицинских приборах и мехатронике. [5] Сплавы MSM изменяют свои магнитные свойства в зависимости от деформации. Этот сопутствующий эффект, который сосуществует с приводом, может быть полезен для проектирования датчиков смещения, скорости или силы и механических сборщиков энергии . [6]

Эффект магнитной памяти формы возникает в низкотемпературной мартенситной фазе сплава, где элементарные ячейки, составляющие сплав, имеют тетрагональную геометрию. При повышении температуры выше температуры превращения мартенсит - аустенит сплав переходит в аустенитную фазу , где элементарные ячейки имеют кубическую геометрию. При такой геометрии эффект магнитной памяти формы теряется.

Переход от мартенсита к аустениту производит силу и деформацию. Поэтому сплавы MSM также могут быть активированы термически, как сплавы с термической памятью формы (см., например, сплавы никель-титан ( Ni-Ti )).

Эффект магнитной памяти формы

Механизм, ответственный за большую деформацию сплавов MSM, — это так называемая магнитно-индуцированная переориентация (MIR), и он схематически изображен на рисунке. [7] Как и другие ферромагнитные материалы, сплавы MSM проявляют макроскопическую намагниченность при воздействии внешнего магнитного поля, возникающую из-за выравнивания 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 при магнитострикции ).

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

Аналогичное явление происходит, когда сплав подвергается воздействию внешней силы. Макроскопически сила действует подобно магнитному полю, способствуя вращению элементарных ячеек и достигая удлинения или сжатия в зависимости от ее приложения в системе координат. Процессы удлинения и сжатия показаны на рисунке, где, например, удлинение достигается магнитным путем, а сжатие — механическим.

Вращение ячеек является следствием большой магнитной анизотропии сплавов MSM и высокой подвижности внутренних областей. Проще говоря, элемент MSM состоит из внутренних областей, каждая из которых имеет различную ориентацию элементарных ячеек (области показаны на рисунке зеленым и синим цветами). Эти области называются двойниками. Приложение магнитного поля или внешнего напряжения сдвигает границы вариантов, называемые границами двойников , и, таким образом, благоприятствует одному или другому варианту. Когда элемент полностью сжат или полностью вытянут, он образован только одним вариантом, и говорят, что он находится в состоянии одного варианта . Намагниченность элемента MSM вдоль фиксированного направления отличается, если элемент находится в состоянии сжатия или в состоянии одного варианта удлинения. Магнитная анизотропия - это разница между энергией, необходимой для намагничивания элемента в состоянии одного варианта сжатия и в состоянии одного варианта удлинения. Значение анизотропии связано с максимальной рабочей производительностью сплава МСМ и, следовательно, с доступной деформацией и силой, которые могут быть использованы для приложений. [8]

Характеристики

Основные свойства эффекта МСМ для коммерчески доступных элементов обобщены в [9] (где описаны другие аспекты технологии и связанные с ней приложения):

Усталостные свойства

Усталостная долговечность MSMA представляет особый интерес для приложений срабатывания из-за высокочастотной цикличности, поэтому улучшение микроструктуры этих сплавов представляло особый интерес. Исследователи улучшили усталостную долговечность до 2x10 9 циклов с максимальным напряжением 2 МПа, предоставив многообещающие данные для поддержки реального применения MSMA в устройствах. [10] Хотя была продемонстрирована высокая усталостная долговечность, было обнаружено, что это свойство контролируется внутренним напряжением двойникования в материале, которое зависит от кристаллической структуры и границ двойников. Кроме того, было обнаружено, что индуцирование полностью деформированного (удлиненного или сжатого) MSMA снижает усталостную долговечность, поэтому это необходимо учитывать при проектировании функциональных систем MSMA. В целом, уменьшение дефектов, таких как шероховатость поверхности, которые вызывают концентрацию напряжений, может увеличить усталостную долговечность и сопротивление разрушению MSMA. [11]

Разработка сплавов

Стандартными сплавами являются сплавы никеля , марганца и галлия (Ni-Mn-Ga), которые исследуются с тех пор, как в 1996 году был опубликован первый соответствующий эффект MSM. [1] Другими исследуемыми сплавами являются сплавы железа и палладия (Fe-Pd), сплавы никеля, железа и галлия (Ni-Fe-Ga) и несколько производных базового сплава Ni-Mn-Ga, которые дополнительно содержат железо (Fe), кобальт (Co) или медь (Cu). Основной мотивацией непрерывной разработки и тестирования новых сплавов является достижение улучшенных термомагнитомеханических свойств, таких как более низкое внутреннее трение, более высокая температура превращения и более высокая температура Кюри, что позволило бы использовать сплавы MSM в различных приложениях. Фактически, фактический температурный диапазон стандартных сплавов составляет до 50 °C. Недавно был представлен сплав с температурой 80 °C. [12]

Из-за механизма движения границ двойников, необходимого для возникновения эффекта магнитной памяти формы, наиболее эффективными MSMA с точки зрения максимальной индуцированной деформации были монокристаллы. Аддитивное производство было продемонстрировано как метод производства пористых поликристаллических MSMA. [13] В отличие от полностью плотных поликристаллических MSMA, пористые структуры обеспечивают большую свободу движения, что снижает внутреннее напряжение, необходимое для активации движения границ мартенситных двойников. Кроме того, было обнаружено, что последующая термическая обработка, такая как спекание и отжиг, значительно увеличивает твердость и снижает модули упругости сплавов Ni-Mn-Ga.

Приложения

Элементы актуатора MSM могут использоваться там, где требуется быстрое и точное движение. Они представляют интерес из-за более быстрого приведения в действие с использованием магнитного поля по сравнению с циклами нагрева/охлаждения, необходимыми для обычных сплавов с эффектом памяти формы, что также обещает более высокую усталостную долговечность. Возможные области применения: робототехника, производство, медицинская хирургия, клапаны, амортизаторы, сортировка. [9] MSMA представляют особый интерес в применении актуаторов (т. е. микрофлюидных насосов для устройств «лаборатория на чипе» ), поскольку они способны обеспечивать большую силу и ход в относительно небольших пространственных областях. [10] Кроме того, из-за высокой усталостной долговечности и их способности производить электродвижущие силы из магнитного потока, MSMA представляют интерес в приложениях по сбору энергии . [14]

Напряжение двойникования или внутреннее фрикционное напряжение MSMA определяет эффективность срабатывания, поэтому конструкция приводов MSM основана на механических и магнитных свойствах данного сплава; например, магнитная проницаемость MSMA является функцией деформации. [10] Наиболее распространенная конструкция привода MSM состоит из элемента MSM, управляемого постоянными магнитами, создающими вращающееся магнитное поле, и пружины, восстанавливающей механическую силу во время цикла памяти формы. Ограничения на эффект магнитной памяти формы из-за дефектов кристаллов определяют эффективность MSMA в приложениях. Поскольку эффект MSM также зависит от температуры, эти сплавы можно адаптировать для смещения температуры перехода путем управления микроструктурой и составом.

Ссылки

  1. ^ ab Ullakko, K. (1996). «Магнитно-управляемые сплавы с памятью формы: новый класс актуаторных материалов». Журнал Materials Engineering and Performance . 5 (3): 405–409. doi :10.1007/BF02649344. ISSN  1059-9495. S2CID  137352650.
  2. ^ Уилсон, Стивен А.; Журден, Рено П.Ж.; Чжан, Ци; Дори, Роберт А.; Боуэн, Крис Р.; Вилландер, Магнус; Вахаб, Камар Ул; Вилландер, Магнус; Аль-Хилли, Сафаа М. (21 июня 2007 г.). «Новые материалы для микродатчиков 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.; Ланска, Н.; Сорока, А.; Цзоу, В. (2013-01-14). "12%-ная деформация, вызванная магнитным полем, в немодулированном мартенсите на основе Ni-Mn-Ga". Applied Physics Letters . 102 (2): 021902. doi :10.1063/1.4775677. ISSN  0003-6951.
  4. ^ Pagounis, E.; Szczerba, MJ; Chulist, R.; Laufenberg, M. (2015-10-12). "Выходная мощность большого магнитного поля в семислойном модулированном мартенсите NiMnGa". Applied Physics Letters . 107 (15): 152407. doi :10.1063/1.4933303. ISSN  0003-6951.
  5. ^ T. Schiepp, Метод моделирования для проектирования и разработки приводов с магнитной памятью формы, докторская диссертация, Университет Глостершира, 2015.
  6. ^ Караман, И.; Басаран, Б.; Караджа, Х.Е.; Карсилаян, А.И.; Чумляков, Ю.И. (2007-04-23). ​​"Сбор энергии с использованием механизма переориентации мартенситного варианта в сплаве с памятью магнитной формы NiMnGa". Applied Physics Letters . 90 (17): 172505. doi :10.1063/1.2721143. ISSN  0003-6951.
  7. ^ Faehler, Sebastian (2007-08-23). ​​"Введение в механизмы приведения в действие сплавов с магнитной памятью формы". ECS Transactions . 3 (25): 155–163. doi :10.1149/1.2753250. ISSN  1938-6737. S2CID  62395907.
  8. ^ Л. Страка, Магнитные и магнитомеханические свойства сплавов Ni-Mn-Ga с магнитной памятью формы, докторская диссертация, Университет Аалто, 2007.
  9. ^ ab "The MSM net". The MSM net . Получено 2016-11-16 .
  10. ^ abc Габдуллин, Н; Хан, Ш.Х. (2015-02-16). "Обзор свойств сплавов с магнитной памятью формы (MSM) и конструкций актуаторов MSM". Journal of Physics: Conference Series . 588 : 012052. doi : 10.1088/1742-6596/588/1/012052 . ISSN  1742-6596. S2CID  56145183.
  11. ^ Лоуренс, Т.; Линдквист, П.; Уллакко, К.; Мюлльнер, П. (2016-01-27). «Усталостная долговечность и механика разрушения свободных монокристаллов Ni–Mn–Ga во вращающемся магнитном поле». Materials Science and Engineering: A . 654 : 221–227. doi : 10.1016/j.msea.2015.12.045 . ISSN  0921-5093.
  12. ^ Pagounis, E.; Chulist, R.; Szczerba, MJ; Laufenberg, M. (2014-07-15). «Высокотемпературная активация магнитной памяти формы в монокристалле Ni–Mn–Ga». Scripta Materialia . 83 : 29–32. doi :10.1016/j.scriptamat.2014.04.001.
  13. ^ Acierno, Aaron; Toman, Jakub; Kimes, Katerina; Mostafaei, Amir; Boin, Mirko; Wimpory, Robert; Chmielus, Markus (август 2020 г.). «Рост зерен, пористость и изменения твердости в спеченных и отожженных сплавах Ni-Mn-Ga с магнитной памятью формы, напечатанных на 3D-принтере с использованием связующего». Микроскопия и микроанализ . 26 (S2): 3082–3085. doi : 10.1017/S1431927620023764 . ISSN  1431-9276. S2CID  225351376.
  14. ^ Рашиди, Саман; Эхсани, Мохаммад Хоссейн; Шакури, Мейсам; Карими, Надер (2021-11-01). «Потенциал сплавов с магнитной памятью формы для сбора энергии». Журнал магнетизма и магнитных материалов . 537 : 168112. doi : 10.1016/j.jmmm.2021.168112. ISSN  0304-8853.