Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

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. В этих материалах также получен эффект тепловой памяти формы .

Введение [ править ]

Сплавы МСМ - это ферромагнитные материалы, которые могут создавать движение и силы в умеренных магнитных полях. Обычно MSMA представляют собой сплавы никеля, марганца и галлия (Ni-Mn-Ga).

Магнитоиндуцированный деформации около 0,2% был представлен в 1996 году д - р Kari Ullakko и его сотрудниками в MIT. [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 в 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 устройствах и мехатронике. [5] Сплавы МСМ изменяют свои магнитные свойства в зависимости от деформации. Этот сопутствующий эффект, сосуществующий с приведением в действие, может быть полезен при разработке датчиков перемещения, скорости или силы, а также сборщиков 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 мартенситно- 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. Следовательно, сплавы МСМ можно также активировать термически, как сплавы с термической памятью формы (см., Например, сплавы никель-титан ( Ni-Ti )).

Эффект магнитной памяти формы [ править ]

Механизм, ответственный за большую деформацию сплавов МСМ, - это так называемая магнитно-индуцированная переориентация (MIR), схематически изображенная на рисунке. [7] Как и другие ферромагнетики, сплавы МСМ проявляют макроскопическую намагниченность при воздействии внешнего магнитного поля, возникающего в результате совмещения 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 перегиб, показанный на рисунке, приведен только в целях иллюстрации, тогда как в реальных материалах перегиб составляет <4 °.

Аналогичное явление происходит, когда сплав подвергается воздействию внешней силы. Макроскопически сила действует как магнитное поле, способствуя вращению элементарных ячеек и достигая удлинения или сжатия в зависимости от ее применения 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 MSM состоит из внутренних областей, каждая из которых имеет разную ориентацию элементарных ячеек (области показаны на рисунке зеленым и синим цветами). Эти регионы называются двойными вариантами. Приложение магнитного поля или внешнего напряжения сдвигает границы вариантов, называемых двойниковыми границами , и, таким образом, способствует тому или иному варианту. Когда элемент полностью сжат или полностью удлинен, он образован только одним вариантом, и говорят, что он находится в состоянии единственного варианта.. Намагниченность элемента МСМ в фиксированном направлении различается, 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 одновариантном состоянии удлинения. Величина анизотропии связана с максимальной производительностью сплава МСМ и, следовательно, с доступной деформацией и силой, которые можно использовать в различных областях применения. [8]

Свойства [ править ]

Основные свойства эффекта MSM для коммерчески доступных элементов суммированы в [9] (где описаны другие аспекты технологии и связанных приложений):

  • Напряжение до 6%
  • Максимум. создаваемое напряжение до 3 МПа
  • Минимальное магнитное поле для максимальной деформации: 500 кА / м
  • Полная деформация (6%) до нагрузки 2 МПа
  • Производительность на единицу объема около 150 кДж / м ^ 3.
  • Энергетический КПД (преобразование между входной магнитной энергией и выходной механической работой) около 90%
  • Напряжение внутреннего трения около 0,5 МПа
  • Магнитная и термическая активация
  • Рабочие температуры от -40 до 60 ° C
  • Изменение магнитной проницаемости и электросопротивления при деформации

Разработка сплавов [ править ]

Стандартные сплавы Никель - Марганец - Галлиевый (Ni-Mn-Ga) сплавы, которые исследовались с первым соответствующим эффектом МСМА был опубликован в 1996 году [1] Другие сплавы под следствием являются Iron - Palladium(Fe-Pd) сплавы, 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). . Основная мотивация непрерывных разработок и испытаний новых сплавов заключается в достижении улучшенных термомагнитомеханических свойств, таких как более низкое внутреннее трение, более высокая температура превращения и более высокая температура Кюри, что позволило бы использовать сплавы МСМ в нескольких Приложения. Фактически, фактический диапазон температур стандартных сплавов составляет до 50 ° C. Недавно был представлен сплав с температурой 80 ° C. [10]

Приложения [ править ]

Приводные элементы MSM могут использоваться там, где требуется быстрое и точное движение. Возможные области применения: робототехника, производство, медицинская хирургия, клапаны, демпферы, сортировка. [9]

Ссылки [ править ]

  1. ^ а б Уллакко, К. (1996). «Магнитно-регулируемые сплавы с памятью формы: новый класс материалов для приводов». Журнал материаловедения и производительности . 5 (3): 405–409. DOI : 10.1007 / BF02649344 . ISSN  1059-9495 .
  2. ^ Уилсон, Стивен А .; Журден, Рено П.Дж.; Чжан, Ци; Дори, Роберт А .; Боуэн, Крис Р .; Вилландер, Магнус; Вахаб, Камар Ул; Вилландер, Магнус; Аль-Хилли, Сафаа М. (21.06.2007). «Новые материалы для микромасштабных датчиков и исполнительных механизмов: инженерный обзор» . Материаловедение и инженерия: R: Отчеты . 56 (1–6): 1–129. DOI : 10.1016 / j.mser.2007.03.001 .
  3. ^ Созинов, А .; Lanska, N .; Сорока, А .; Цзоу, В. (14 января 2013 г.). «12% деформации, вызванной магнитным полем, в немодулированном мартенсите на основе Ni-Mn-Ga». Письма по прикладной физике . 102 (2): 021902. DOI : 10,1063 / 1,4775677 . ISSN 0003-6951 . 
  4. ^ Pagounis, E .; Щерба, MJ; Чулист, Р .; Лауфенберг, М. (2015-10-12). «Большая работа, индуцированная магнитным полем, в семислойном модулированном мартенсите NiMnGa». Письма по прикладной физике . 107 (15): 152407. DOI : 10,1063 / 1,4933303 . ISSN 0003-6951 . 
  5. ^ Т. Шипп, Метод моделирования для проектирования и разработки приводов с магнитной памятью формы, докторская диссертация, Университет Глостершира, 2015.
  6. ^ Караман, I .; Басаран, Б .; Карача, HE; Карсилаян, AI; Чумляков Ю.И. (23.04.2007). «Сбор энергии с использованием механизма переориентации мартенситного варианта в сплаве с магнитной памятью формы NiMnGa». Письма по прикладной физике . 90 (17): 172505. DOI : 10,1063 / 1,2721143 . ISSN 0003-6951 . 
  7. ^ Faehler, Себастьян (2007-08-23). "Введение в исполнительные механизмы сплавов с магнитной памятью формы". Транзакции ECS . 3 (25): 155–163. DOI : 10.1149 / 1.2753250 . ISSN 1938-6737 . 
  8. ^ Л. Страка, Магнитные и магнитомеханические свойства сплавов Ni-Mn-Ga с магнитной памятью формы , докторская диссертация, Университет Аалто, 2007.
  9. ^ a b "Сеть МСМ" . Сеть МСМ . Проверено 16 ноября 2016 .
  10. ^ Pagounis, E .; Чулист, Р .; Щерба, MJ; Лауфенберг, М. (15.07.2014). «Срабатывание высокотемпературной магнитной памяти формы в монокристалле Ni – Mn – Ga». Scripta Materialia . 83 : 29–32. DOI : 10.1016 / j.scriptamat.2014.04.001 .