Магнитный сплав с памятью формы
Сплавы с магнитной памятью формы (MSMA), также называемые ферромагнитными сплавами с памятью формы (FSMA), представляют собой особые сплавы с памятью формы , которые создают силы и деформации в ответ на магнитное поле. эффект термической памяти формы В этих материалах также получен .
Введение
[ редактировать ]Сплавы MSM представляют собой ферромагнитные материалы, которые могут создавать движение и создавать силы в умеренных магнитных полях. Обычно MSMA представляют собой 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 из Массачусетского технологического института. [1] С тех пор усовершенствования производственного процесса и последующей обработки сплавов привели к деформации до 6% для коммерчески доступных монокристаллических элементов Ni-Mn-Ga MSM. [2] а также до 10-12 % и 20 % для новых сплавов, находящихся на 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 приборах и мехатронике. [5] Сплавы МСМ меняют свои магнитные свойства в зависимости от деформации. Этот сопутствующий эффект, который сосуществует с срабатыванием, может быть полезен при разработке датчиков перемещения, скорости или силы, а также устройств сбора механической энергии . [6]
Эффект магнитной памяти формы возникает в низкотемпературной мартенситной фазе сплава, где элементарные ячейки, составляющие сплав, имеют тетрагональную геометрию. Если температура повышается выше температуры мартенсит- аустенитного превращения, сплав переходит в аустенитную фазу , где элементарные ячейки имеют кубическую геометрию. При такой геометрии теряется эффект магнитной памяти формы.
Переход от мартенсита к аустениту вызывает силу и деформацию. Поэтому сплавы МСМ можно активировать также термически, как и сплавы с термопамятью формы (см., например, никель-титановые ( Ni-Ti ) сплавы).
Магнитный эффект памяти формы
[ редактировать ]Механизм, ответственный за большую деформацию сплавов МСМ, представляет собой так называемую магнитно-индуцированную переориентацию (МИР) и схематически показан на рисунке. [7] Как и другие ферромагнитные материалы, сплавы МСМ проявляют макроскопическую намагниченность под воздействием внешнего магнитного поля, возникающую в результате выравнивания элементарных намагниченностей вдоль направления поля. Однако, в отличие от стандартных ферромагнитных материалов, выравнивание достигается за счет геометрического вращения элементарных ячеек, составляющих сплав, а не за счет вращения векторов намагниченности внутри ячеек (как при магнитострикции ).
Аналогичное явление происходит, когда на сплав действует внешняя сила. Макроскопически сила действует как магнитное поле, способствуя вращению элементарных ячеек и достигая удлинения или сжатия в зависимости от ее приложения в базовой системе координат. Процессы удлинения и сжатия показаны на рисунке, где, например, удлинение достигается магнитным способом, а сжатие механическим.
Вращение ячеек является следствием большой магнитной анизотропии сплавов МСМ и высокой подвижности внутренних областей. Проще говоря, элемент МСМ состоит из внутренних областей, каждая из которых имеет различную ориентацию элементарных ячеек (области показаны на рисунке зеленым и синим цветами). Эти регионы называются близнецовыми вариантами. Приложение магнитного поля или внешнего напряжения смещает границы вариантов, называемые границами двойников , и, таким образом, благоприятствует тому или иному варианту. Когда элемент полностью сжимается или полностью удлиняется, он образован только одним вариантом, и говорят, что он находится в состоянии единственного варианта . Намагниченность элемента МСМ вдоль фиксированного направления различна, если элемент находится в состоянии сжатия или в состоянии единственного варианта удлинения. Магнитная анизотропия — это разница между энергией, необходимой для намагничивания элемента в одновариантном состоянии сжатия и в одновариантном состоянии удлинения. Значение анизотропии связано с максимальной производительностью сплава MSM и, следовательно, с доступной деформацией и силой, которые можно использовать для различных применений. [8]
Характеристики
[ редактировать ]Основные свойства эффекта МСМ для коммерчески доступных элементов суммированы в [9] (где описаны другие аспекты технологии и связанных с ней приложений):
- Штамм до 6%
- Макс. создаваемое напряжение до 3 МПа
- Минимальное магнитное поле для максимальной деформации: 500 кА/м.
- Полная деформация (6%) при нагрузке до 2 МПа
- Производительность на единицу объема около 150 кДж/м^3.
- Энергетический КПД (преобразование входной магнитной энергии в выходную механическую работу) около 90%.
- Напряжение внутреннего трения около 0,5 МПа.
- Магнитная и термическая активация
- Рабочая температура от -40 до 60 °C.
- Изменение магнитной проницаемости и удельного электросопротивления при деформации
Усталостные свойства
[ редактировать ]Усталостная долговечность MSMA представляет особый интерес для применения в приводах из-за высокочастотного циклирования, поэтому улучшение микроструктуры этих сплавов представляет особый интерес. Исследователи улучшили усталостную долговечность до 2x10 9 циклов с максимальным напряжением 2 МПа, предоставляя 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 создание полностью напряженного (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
[ редактировать ]Стандартными сплавами являются сплавы никель - марганец - галлий (Ni-Mn-Ga), которые исследуются с момента публикации первого соответствующего эффекта МСМ в 1996 году. [1] Другими исследуемыми сплавами являются сплавы железо - палладий (Fe-Pd), 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). Основной мотивацией непрерывной разработки и испытаний новых сплавов является достижение улучшенных термомагнитомеханических свойств, таких как более низкое внутреннее трение, более высокая температура превращения и более высокая температура Кюри, что позволит использовать сплавы МСМ в нескольких приложения. Фактически реальный диапазон температур стандартных сплавов составляет до 50 °C. Недавно был представлен сплав, рассчитанный на температуру 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 мартенситного двойника. Кроме того, было обнаружено, что постпроцессная термообработка, такая как спекание и отжиг, значительно увеличивает твердость и снижает модули упругости сплавов Ni-Mn-Ga.
Приложения
[ редактировать ]Элементы привода MSM можно использовать там, где требуется быстрое и точное движение. Они представляют интерес из-за более быстрого срабатывания с помощью магнитного поля по сравнению с циклами нагрева/охлаждения, необходимыми для традиционных сплавов с памятью формы, что также обещает более высокий усталостный срок службы. Возможные области применения: робототехника, производство, медицинская хирургия, клапаны, демпферы, сортировка. [9] MSMA представляют особый интерес при применении приводов (т.е. микрофлюидных насосов для устройств «лаборатория на чипе» ), поскольку они способны создавать большую силу и ударную мощность в относительно небольших пространственных областях. [10] Кроме того, из-за высокой усталостной долговечности и способности создавать электродвижущую силу из магнитного потока MSMA представляют интерес для приложений по сбору энергии . [14]
Напряжение двойникования или внутреннее напряжение трения 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 пружиной, восстанавливающей механическую силу во время цикла памяти формы. Ограничения эффекта магнитной памяти формы из-за дефектов кристалла определяют эффективность MSMA в приложениях. Поскольку эффект МСМ также зависит от температуры, эти сплавы можно адаптировать для изменения температуры перехода путем управления микроструктурой и составом.
![[икона]](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/1/1c/Wiki_letter_w_cropped.svg/20px-Wiki_letter_w_cropped.svg.png){kind=small} | Этот раздел нуждается в расширении . Вы можете помочь, добавив к нему . ( май 2022 г. ) |
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б Уллакко, К. (1996). «Магнитноуправляемые сплавы с памятью формы: новый класс материалов для приводов». Журнал материаловедения и производительности . 5 (3): 405–409. дои : 10.1007/BF02649344 . ISSN 1059-9495 . S2CID 137352650 .
- ^ 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 .
- ^ Созинов А.; Ланска, Н.; Сорока, А.; Цзоу, В. (14 января 2013 г.). «12% деформация, вызванная 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 .
- ^ Пагунис, Э.; Щерба, МЮ; Чулист Р.; Лауфенберг, М. (12 октября 2015 г.). «Большая производительность работы, индуцированная магнитным полем, в семислойном модулированном мартенсите NiMnGa». Письма по прикладной физике . 107 (15): 152407. дои : 10.1063/1.4933303 . ISSN 0003-6951 .
- ^ Т. Шипп, Метод моделирования для проектирования и разработки приводов с магнитной памятью формы, докторская диссертация, Университет Глостершира, 2015.
- ^ Караман, И.; Басаран, Б.; Караджа, HE; Карсилаян, А.И.; Чумляков Ю.И. (23 апреля 2007 г.). «Сбор энергии с использованием механизма переориентации мартенситного варианта в сплаве NiMnGa с магнитной памятью формы». Письма по прикладной физике . 90 (17): 172505. дои : 10.1063/1.2721143 . ISSN 0003-6951 .
- ^ Фэлер, Себастьян (23 августа 2007 г.). «Введение в исполнительные механизмы сплавов с магнитной памятью формы». ECS-транзакции . 3 (25): 155–163. дои : 10.1149/1.2753250 . ISSN 1938-6737 . S2CID 62395907 .
- ^ Л. Страка, Магнитные и магнитомеханические свойства сплавов Ni-Mn-Ga с магнитной памятью формы , Кандидатская диссертация, Университет Аалто, 2007.
- ^ Jump up to: а б «Сеть МСМ» . Сеть МСМ . Проверено 16 ноября 2016 г.
- ^ Jump up to: а б с Габдуллин Н.; Хан, С.Х. (16 февраля 2015 г.). «Обзор свойств сплавов с магнитной памятью формы (МСМ) и конструкций приводов МСМ» . Физический журнал: серия конференций . 588 : 012052. doi : 10.1088/1742-6596/588/1/012052 . ISSN 1742-6596 . S2CID 56145183 .
- ^ Лоуренс, Т.; Линдквист, П.; Уллакко, К.; Мюлльнер, П. (27 января 2016 г.). «Усталостная долговечность и механика разрушения неограниченных монокристаллов Ni–Mn–Ga во вращающемся магнитном поле» . Материаловедение и инженерия: А. 654 : 221–227. дои : 10.1016/j.msea.2015.12.045 . ISSN 0921-5093 .
- ^ Пагунис, Э.; Чулист Р.; Щерба, МЮ; Лауфенберг, М. (15 июля 2014 г.). «Включение высокотемпературной магнитной памяти формы в монокристалле Ni – Mn – Ga». Скрипта Материалия . 83 : 29–32. дои : 10.1016/j.scriptamat.2014.04.001 .
- ^ Асьерно, Аарон; Томан, Якуб; Каймс, Катерина; Мостафаи, Амир; Боин, Мирко; Уимпори, Роберт; Хмиелус, Маркус (август 2020 г.). «Рост зерна, пористость и изменения твердости в спеченных и отожженных сплавах Ni-Mn-Ga с магнитной памятью формы, напечатанных на связующем 3D-принтере» . Микроскопия и микроанализ . 26 (С2): 3082–3085. дои : 10.1017/S1431927620023764 . ISSN 1431-9276 . S2CID 225351376 .
- ^ Рашиди, Саман; Эхсани, Мохаммад Хосейн; Шакури, Мейсам; Карими, Надер (1 ноября 2021 г.). «Потенциал магнитных сплавов с памятью формы для сбора энергии» . Журнал магнетизма и магнитных материалов . 537 : 168112. doi : 10.1016/j.jmmm.2021.168112 . ISSN 0304-8853 .