技术领域
[0001] 本
发明属于
磁性材料领域，具体涉及一种磁致扭转Ni-Mn-Ga合金丝。
背景技术
[0002] Heusler合金是目前为止唯一被发现同时具有
铁磁性和热弹性
马氏体
相变特征的金属间化合物，由于在降温过程中发生马氏体相变和
磁场作用下驱动马氏体孪
晶界运动，从而使该材料具有较大的输出应变、响应
频率高、恢复应变大等特点而有望成为新型磁驱动智能材料，去弥补传统驱动马氏体相变的加热和冷却过程缓慢、工作频率低以及
磁致伸缩量小等缺点。
[0003]
铁磁性材料同时受到轴向磁场和周向磁场的作用时，会引起材料沿轴向产生一个扭转，这种现象称为魏德曼效应(wiedemann effect)。魏德曼效应是铁磁性材料的一种磁机械效应，一直认为与材料的磁致伸缩性质有关，属于特殊的磁致伸缩现象。这对于开发应变大，转换
能量高的新型磁控功能材料具有重要意义。
[0004] 1996年Ullakko等首次在265k，施加8kOe磁场情况下在Ni2MnGa单晶中发现了0.2％的磁致应变，其后一个新的研究时代开始了。Chernenko研究发现Ni51.2Mn31.1Ga17.7单晶在160℃到200℃的范围内具有6％的可完全恢复超弹性应变。通过磁场驱动马氏体孪晶再取向，可获得9.5％的磁致应变；而且通过调节成分，可获得高达350℃的马氏体转变
温度，是一种潜在的高温形状记忆合计材料。因此，在
电子、机械、
能源、宇航、
汽车、医疗及日常生活领域得到了广泛的实际应用。
[0005] 在Ni-Mn-Ga合金的研究中，多晶材料存在晶界、第二相以及多种孪晶变体等因素阻碍孪晶界的运动，而通过小尺寸材料，如
纤维丝材，能减少晶界的数量，而且可以通过适当
热处理，减少应
力、
缺陷，使孪晶界容易移动，从而提高
变形能力。这对于开发尺寸小、应变大、响应频率高的微型化功能器件有重要意义。
发明内容
[0006] 本发明提供一种在复合磁场作用下可扭转的Ni-Mn-Ga合金丝，合金丝
质量高、直径不同而且连续，在轴向磁场Ha和周向磁场Hc共同作用下，较小磁场下就能发生较大扭转。
[0007] 为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
[0008] 一种磁致扭转Ni-Mn-Ga合金丝，所述合金丝在磁场作用下发生扭转。
[0009] 进一步的，所述合金丝各组分的
原子百分比分别为：Ni：48-60，Mn：22-30，Ga：20-28，各组分总和为100。
[0010] 进一步的，所述合金丝直径为30-300μm，长度为10-200cm。
[0011] 一种磁致扭转Ni-Mn-Ga合金丝的制备方法，所述方法采用以下设备，所述设备包括：
真空系统、
电机升降系统、合金导入系统、冷却系统、绕丝装置和红外线测温装置，电机升降系统由
伺服电机和升降杆组成，导入系统由
波纹管、四通装置、直线导入器和导入杆构成，四通装置上部连接直线导入器，四通装置下部和波纹管连接，波纹管底部连接玻璃管，导入杆穿过波纹管在玻璃管内随升降电机控制金属补充，波纹管底部与升降杆连接，由伺服电机驱动，升降杆控制玻璃管的升降，玻璃管周围由盘香状感应线圈构成的加热系统，玻璃管下面由
循环水冷却装置构成的冷却系统和绕丝装置，所述方法具体包括以下步骤：
[0012] 步骤1、将高纯
合金元素Ni(>99.9％)、Mn(>99.9％)、Ga(>99.99％)按名义成分原子百分比配比好的合金约40-80g，采用真空
电弧炉熔炼成均匀的
母合金，反复熔炼3-5次，
电磁搅拌1-2次，合金组分成分尽可能均匀，得到合金
铸锭；
[0013] 步骤2、铸锭
块进行均匀化
退火，将
合金锭真空封装在耐高温
石英管中，真空度为10-5Pa，将合金锭块900℃退火24—48h后，在
冰水中淬火；
[0014] 步骤3、将步骤2中的合金锭块切成直径为6-9mm、长度为4-10mm合金棒，打磨、清洗、干燥，将制备好的合金棒与导入杆连接，装入直径为10mm，长15cm的Pyrex玻璃管中，将玻璃管与波纹管连接，开启冷却系统循环水，启动真空系统抽至5Pa，充氩气至0.1Pa，真空系统抽真空反复循环2-5次，减少合金锭块
氧化；
[0015] 步骤4、启动感应线圈高频
感应加热装置，启动红外测温装置，合金锭融化，玻璃管开始
软化，待合金充分融化开始
沸腾，同时玻璃管熔融软化时，用玻璃棒或钨棒从玻璃管底部快速引出合金丝；此刻转动直线导入器上端
转轴，将合金棒和导入杆下移，补充金属消耗；同时启动直线伺服电机控制升降杆下降，使波纹管伸长，玻璃管下降来补充消耗的玻璃，细丝经过水冷或空冷后缠绕在下端绕丝装置的转轴上，控制绕丝电机速度制得直径为30-300μm Ni-Mn-Ga合金丝。
[0016] 进一步的，步骤1中各组分的原子百分比分别为：Ni：48-60，Mn：22-30，Ga：20-28，各组分总和为100。
[0017] 本发明优点在于：
[0018] (1)合金丝具有圆整度高，表面质量好，尺寸均匀，连续性好的特点，长度可达200cm。
[0019] (2)小磁场，大扭转。相对于传统材料铁基丝和钴基丝而言，在较小磁场下就能发生较大扭转。具有变形大，响应速度快的特点。在驱动、换能和
传感器领域具良好应用前景。
附图说明
[0020] 图1是合金丝SEM图像
[0021] 图2是Ni-Mn-Ga合金丝扭转随周向磁场变化曲线
[0022] 图3为制备方法所采用的设备结构示意图；
[0023] 图4是光杠杆法测量魏德曼扭转
角示意图
[0024] 图4中：
[0025]磁场作用下合金丝扭转角度，从初始
位置Ⅰ到结束位置Ⅱ
R 合金丝于接收屏之间垂直距离
D 合金丝到接收屏之间的垂足与光斑初始位置的距离
S S—光斑移动位移，由初始位置X0到X之间的实时距离
Ha 螺线管
电流Ia产生轴向磁场Ha
Hc 通电直
导线电流Ic产生周向磁场Hc
[0026] 。
具体实施方式
[0027] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及
实施例，对本发明进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
[0028] 相反，本发明涵盖任何由
权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、
修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。
[0029] 如图1-2所示，一种磁致扭转Ni-Mn-Ga合金丝，所述合金丝在较小磁场下就能发生较大扭转，所述合金丝各组分的原子百分比分别为：Ni：48-60，Mn：22-30，Ga：20-28，各组分总和为100，所述合金丝直径为30-300μm，合金丝
抗拉强度为300Mp或更高；具有单程或双形状记忆效应；具有超弹性性能及延性，超弹性应变可达8％或更高，卸载后具有90％以上恢复率；微丝具有微晶或非晶结构，直径在100μm一下的合金丝在水冷激冷下形成
纳米晶和非晶结构，而直径100μm以上具有微晶结构，平均晶粒尺寸3μm或更小，表面平滑光亮、均匀，连续性好，长度为10-200cm。
[0030] 如图3所示，一种磁致扭转Ni-Mn-Ga合金丝的制备方法，所述方法采用以下设备，所述设备包括：真空系统、电机升降系统、合金导入系统、冷却系统、绕丝装置和红外线测温装置10，电机升降系统由伺服电机3和升降杆5组成，导入系统由波纹管6、四通装置2、直线导入器1和导入杆4构成，四通装置2上部连接直线导入器1，四通装置2下部和波纹管6连接，波纹管6底部连接玻璃管7，导入杆4穿过波纹管6在玻璃管7内随升降电机控制金属补充，波纹管6底部与升降杆5连接，由伺服电机3驱动，升降杆5控制玻璃管7的升降，玻璃管7周围由盘香状感应线圈9构成的加热系统，玻璃管7下面由循环水冷却装置11构成的冷却系统和绕丝装置12，所述方法具体包括以下步骤：
[0031] 步骤1、将高纯合金元素Ni(>99.9％)、Mn(>99.9％)、Ga(>99.99％)按名义成分原子百分比配比好的合金约40-80g，采用真空
电弧炉熔炼成均匀的母合金，反复熔炼3-5次，电磁搅拌1-2次，合金组分成分尽可能均匀，得到合金铸锭；
[0032] 各合金组分的原子百分比分别为：Ni：48-60，Mn：22-30，Ga：20-28，各组分总和为100；
[0033] 步骤2、铸锭块进行均匀化退火，将合金锭真空封装在耐高温石英管中，真空度为10-5Pa，将合金锭块900℃退火24—48h后，在冰水中淬火；
[0034] 步骤3、将步骤2中的合金锭块切成直径为6-9mm、长度为4-10mm合金棒，打磨、清洗、干燥，将制备好的合金棒与导入杆连接，装入直径为10mm，长15cm的Pyrex玻璃(耐热玻璃)管中，将玻璃管与波纹管连接，开启冷却系统循环水，启动真空系统抽至5Pa，充氩气至0.1Pa，真空系统抽真空反复循环2-5次，减少合金锭块氧化。
[0035] 步骤4、启动感应线圈高频感应加热装置，启动红外测温装置，合金锭融化，玻璃管开始软化，待合金充分融化开始沸腾，同时玻璃管熔融软化时，用玻璃棒或钨棒从玻璃管底部快速引出合金丝；此刻转动直线导入器上端转轴，将合金棒和导入杆下移，补充金属消耗；同时启动直线伺服电机控制升降杆下降，使波纹管伸长，玻璃管下降来补充消耗的玻璃，细丝经过水冷或空冷后缠绕在下端绕丝装置的转轴上，控制绕丝电机速度制得直径为30-300μm Ni-Mn-Ga合金丝。
[0036] 如图4所示，一种磁致扭转合金丝测量方法，所述方法采用以下装置：接收屏、
激光器、薄镜面、轴向磁场螺线管、周向磁场及
支架。
[0037] 所述方法具体包括如下步骤：
[0038] 步骤a、测量合金丝直径，然后将直径均匀，表面质量优异的Ni-Mn-Ga合金丝两端用缓释剂去掉表面玻璃，或者手工去玻璃，或者用HF
腐蚀玻璃。
[0039] 步骤b、用α－氰基
丙烯酸乙酯将薄
硅片固定在合金丝下端，保持镜面竖直，粘贴牢靠；
[0040] 步骤c、将合金丝上端用卡具充分固定，合金丝下端先连接直流导线圈，再连接阻尼装置，调整支架及螺线管位置保持丝于螺线管中心位置，直流电源E1连接匀强磁场；
[0041] 步骤d、启动激光器，使光斑照射镜面后反射到接收屏位置，测量合金丝到接收屏之间垂足位置到初始位置的距离D、记录初始位置X0、Ni-Mn-Ga合金丝位置与接收屏垂直距离R、光斑实时位置X与初始位置X0之间的距离S。
[0042] 步骤e、启动直流电源E1、E2，利用
电磁感应原理和安培环路定理分别计算产生的轴向磁场Ha和周向磁场Hc的场强，同时记录时间t来记录不同磁场下扭转随时间、磁场变化。
[0043] 根据公式(1)可计算得出合金丝的扭转角度，可以判断出随着磁场变化扭转角度变化的具体情况；
[0044] 公式(1)
[0045] 合金丝扭转魏德曼效应(wiedemann effect)用单位长度的扭转角度来表征。其中θ为扭转的角度，L为合金丝在轴向磁场中有效测试长度。
[0046] 由于磁阻和
涡流而产生阻热导致合金丝温度升高，其通电电流越大，发热越严重。当加热到一定极限时，合金丝发热烧断。而在一定范围内，合金丝发生扭转，而当慢慢降低磁场时，合金丝扭转逐渐恢复。
[0047] 【实施例一】
[0048] 名义成分Ni50Mn29Ga21的合金丝，表面状态为未去玻璃，两端除去玻璃以便通入电流产生周向磁场，合金丝直径为200μm，长度50cm。
[0049] 用α－氰基丙烯酸乙酯将薄
硅片固定在合金丝下端适当位置，保持镜面竖直。将合金丝固定，下端连接直流导线圈，再连接阻尼装置，调整支架及螺线管位置保持丝于螺线管中心位置，直流电源E1连接匀强磁场。启动激光器，使光斑照射镜面后反射到接收屏位置。
[0050] 测量D和R，记录初始位置X0，启动电源E1、E2，记录时间t、周向电流Ic、轴向电流Ia、利用电磁感应原理和安培环路定理分别计算产生轴向磁场Ha和周向磁场Hc，S为光斑实时位置X与初始位置X0之间的差值，通过公式(1)可得出不同磁场强度下扭转角大小。根据螺线管的有效长度可得出单位长度合金丝的扭转，即。
[0051] 本次测试中D＝80cm，R＝240cm，Ha＝6750A/m，Hc＝0-318.47A/m，螺线管有效长度L＝20cm，测试结果如表1所示：
[0052] 表1
[0053]
[0054]
[0055] 表1为固定轴向磁场Ha，扭转随周向磁场Hc变化规律，从表中数据可得出魏德曼扭转角随磁场强度增加而增加，而在一定磁场测量范围内，魏德曼最大扭转角为)max＝647.13"/cm。
[0056] 本发明优点在于：
[0057] (1)合金丝具有圆整度高，表面质量好，尺寸均匀，连续性好的特点，长度可达200cm。
[0058] (2)小磁场，大扭转。相对于传统材料铁基丝和钴基丝而言，在较小磁场下就能发生较大扭转。具有变形大，响应速度快的特点。在驱动、换能和传感器领域具良好应用前景。
