磁控形狀記憶合金磁力性能及作動器原理

翁光遠

摘 要：磁控形狀記憶合金（Magnetic Shape Memory Alloy）在磁場作用下所表現出的低能量誘發相變、大恢復應變、大輸出應力、高響應頻率和可精確控制的特性，使之有可能成為土木工程結構振動控制理想的驅動與傳感材料。針對這一問題，論文通過描述MSMA材料的變形機制，以及磁場、應變、應力之間的函數關系，分析了磁控形狀記憶合金在工程結構振動控制應用中需要解決的問題，提出了磁控形狀記憶合金在工程結構振動控制領域中應用前景。

關鍵詞：磁控形狀記憶合金； 磁力性能； 振動控制； 本構關系

1.MSMA變形機理

磁控形狀記憶合金既有傳統記憶合金特有的熱彈性馬氏體相變，也有鐵磁相和順磁相之間的居里轉變。磁控形狀記憶合金的磁致應變可以通過兩種方法獲得[1]，一種是由磁場誘發從母相到馬氏體的相變（類似于應力誘發馬氏體相變），這種情況一般需要非常大的磁場，例如需要1.29T的磁場才能誘發合金的馬氏體相變；另外一種是鐵磁控馬氏體在磁場作用下的孿晶變體再取向（類似于應力促使馬氏體孿晶再取向，與傳統的磁致伸縮機制無關），這種情況需要的磁場比前者小得多，而且可以得到較大的應變量，例如在300K時，誘發Ni48.8Mn29.7Ga21.5合金馬氏體變體再取向得到9.5%的磁致應變，只需0.13T的磁場。所以有關鐵磁形狀記憶合金的研究大多采用第二種機制，可以利用較小的磁場獲得較大的應變。

在高對稱性母相中，馬氏體成核所產生的應變主要是通過滑移或者變形孿晶變體界面的移動來消除（可以大大降低馬氏體與周圍區域的應變能）。在有序合金中，與滑移變形相比，孿晶界面的移動不需破壞原子鍵，需要的能量較低，因此，孿晶界面的移動要比滑移更容易發生。孿晶界面移動實現的孿晶變體的擇優取向將產生較大的宏觀應變。

磁控形狀記憶效應的必要條件是馬氏體的各向異性能大于孿晶界移動所需的能量，而且易磁化方向在孿晶界兩邊不同，在這種情況下施加磁場將在孿晶界兩邊產生Zeemna能的

差異 ，這個能量差異對孿晶界施加壓力，因

而易磁化方向與外磁場方向相同的孿晶單變體將長大，磁場誘發孿晶界移動的結果是產生一個大的應變，這效應完全發生在磁控形狀記憶合金的馬氏體。

磁控形狀記憶合金的形狀記憶效應不是通過溫度的改變而是通過磁場變換達到的，也就是說，在磁場作用下發生磁誘發相變，這個動作是瞬時進行的。所以，磁控形狀記憶合金不僅具有普通形狀記憶合金應變、應力大的優點，而且具有反應迅速、響應頻率高的優點，可以應用于各種混合系統、定位系統、減震器、力/位移傳感器、功率發生器等很多場合。

摘 要：磁控形狀記憶合金（Magnetic Shape Memory Alloy）在磁場作用下所表現出的低能量誘發相變、大恢復應變、大輸出應力、高響應頻率和可精確控制的特性，使之有可能成為土木工程結構振動控制理想的驅動與傳感材料。針對這一問題，論文通過描述MSMA材料的變形機制，以及磁場、應變、應力之間的函數關系，分析了磁控形狀記憶合金在工程結構振動控制應用中需要解決的問題，提出了磁控形狀記憶合金在工程結構振動控制領域中應用前景。

關鍵詞：磁控形狀記憶合金； 磁力性能； 振動控制； 本構關系

1.MSMA變形機理

磁控形狀記憶合金既有傳統記憶合金特有的熱彈性馬氏體相變，也有鐵磁相和順磁相之間的居里轉變。磁控形狀記憶合金的磁致應變可以通過兩種方法獲得[1]，一種是由磁場誘發從母相到馬氏體的相變（類似于應力誘發馬氏體相變），這種情況一般需要非常大的磁場，例如需要1.29T的磁場才能誘發合金的馬氏體相變；另外一種是鐵磁控馬氏體在磁場作用下的孿晶變體再取向（類似于應力促使馬氏體孿晶再取向，與傳統的磁致伸縮機制無關），這種情況需要的磁場比前者小得多，而且可以得到較大的應變量，例如在300K時，誘發Ni48.8Mn29.7Ga21.5合金馬氏體變體再取向得到9.5%的磁致應變，只需0.13T的磁場。所以有關鐵磁形狀記憶合金的研究大多采用第二種機制，可以利用較小的磁場獲得較大的應變。

在高對稱性母相中，馬氏體成核所產生的應變主要是通過滑移或者變形孿晶變體界面的移動來消除（可以大大降低馬氏體與周圍區域的應變能）。在有序合金中，與滑移變形相比，孿晶界面的移動不需破壞原子鍵，需要的能量較低，因此，孿晶界面的移動要比滑移更容易發生。孿晶界面移動實現的孿晶變體的擇優取向將產生較大的宏觀應變。

磁控形狀記憶效應的必要條件是馬氏體的各向異性能大于孿晶界移動所需的能量，而且易磁化方向在孿晶界兩邊不同，在這種情況下施加磁場將在孿晶界兩邊產生Zeemna能的

差異 ，這個能量差異對孿晶界施加壓力，因

而易磁化方向與外磁場方向相同的孿晶單變體將長大，磁場誘發孿晶界移動的結果是產生一個大的應變，這效應完全發生在磁控形狀記憶合金的馬氏體。

磁控形狀記憶合金的形狀記憶效應不是通過溫度的改變而是通過磁場變換達到的，也就是說，在磁場作用下發生磁誘發相變，這個動作是瞬時進行的。所以，磁控形狀記憶合金不僅具有普通形狀記憶合金應變、應力大的優點，而且具有反應迅速、響應頻率高的優點，可以應用于各種混合系統、定位系統、減震器、力/位移傳感器、功率發生器等很多場合。

摘 要：磁控形狀記憶合金（Magnetic Shape Memory Alloy）在磁場作用下所表現出的低能量誘發相變、大恢復應變、大輸出應力、高響應頻率和可精確控制的特性，使之有可能成為土木工程結構振動控制理想的驅動與傳感材料。針對這一問題，論文通過描述MSMA材料的變形機制，以及磁場、應變、應力之間的函數關系，分析了磁控形狀記憶合金在工程結構振動控制應用中需要解決的問題，提出了磁控形狀記憶合金在工程結構振動控制領域中應用前景。

關鍵詞：磁控形狀記憶合金； 磁力性能； 振動控制； 本構關系

1.MSMA變形機理

磁控形狀記憶合金既有傳統記憶合金特有的熱彈性馬氏體相變，也有鐵磁相和順磁相之間的居里轉變。磁控形狀記憶合金的磁致應變可以通過兩種方法獲得[1]，一種是由磁場誘發從母相到馬氏體的相變（類似于應力誘發馬氏體相變），這種情況一般需要非常大的磁場，例如需要1.29T的磁場才能誘發合金的馬氏體相變；另外一種是鐵磁控馬氏體在磁場作用下的孿晶變體再取向（類似于應力促使馬氏體孿晶再取向，與傳統的磁致伸縮機制無關），這種情況需要的磁場比前者小得多，而且可以得到較大的應變量，例如在300K時，誘發Ni48.8Mn29.7Ga21.5合金馬氏體變體再取向得到9.5%的磁致應變，只需0.13T的磁場。所以有關鐵磁形狀記憶合金的研究大多采用第二種機制，可以利用較小的磁場獲得較大的應變。

在高對稱性母相中，馬氏體成核所產生的應變主要是通過滑移或者變形孿晶變體界面的移動來消除（可以大大降低馬氏體與周圍區域的應變能）。在有序合金中，與滑移變形相比，孿晶界面的移動不需破壞原子鍵，需要的能量較低，因此，孿晶界面的移動要比滑移更容易發生。孿晶界面移動實現的孿晶變體的擇優取向將產生較大的宏觀應變。

磁控形狀記憶效應的必要條件是馬氏體的各向異性能大于孿晶界移動所需的能量，而且易磁化方向在孿晶界兩邊不同，在這種情況下施加磁場將在孿晶界兩邊產生Zeemna能的

差異 ，這個能量差異對孿晶界施加壓力，因

而易磁化方向與外磁場方向相同的孿晶單變體將長大，磁場誘發孿晶界移動的結果是產生一個大的應變，這效應完全發生在磁控形狀記憶合金的馬氏體。

磁控形狀記憶合金的形狀記憶效應不是通過溫度的改變而是通過磁場變換達到的，也就是說，在磁場作用下發生磁誘發相變，這個動作是瞬時進行的。所以，磁控形狀記憶合金不僅具有普通形狀記憶合金應變、應力大的優點，而且具有反應迅速、響應頻率高的優點，可以應用于各種混合系統、定位系統、減震器、力/位移傳感器、功率發生器等很多場合。