CN108620582A - 一种磁性记忆合金与铜的复合材料及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的是一种磁性记忆合金与铜的复合材料及制备方法。将颗粒尺寸小于50微米的磁性记忆合金颗粒与颗粒尺寸小于50微米的铜粉末，按照磁性记忆合金颗粒的质量分数为40～60％将磁性记忆合金颗粒与铜粉末在球磨机中混合20～60分钟，将混合粉末置于模具中在室温下于700～800MPa冷压成型，将冷压成型块材置于热处理炉中在氩气保护下于950～1000℃烧结0.5～1.5小时，得到磁性记忆合金与铜复合材料。本发明的磁性记忆合金与铜复合材料的压缩强度可以达到1400MPa，压缩应变约为20％，可以实现在高载荷条件下的工程应用。本发明的方法不需要专用设备，生产工艺简单，可以有效降低制备成本。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种磁性记忆合金复合材料。本发明也涉及一种磁性记忆合金复合材料的制备方法。
背景技术
具有热弹性马氏体相变的Ni-Ti形状记忆合金由于表现出形状记忆效应和超弹性，因此在驱动、传感、紧固装置和生物医学等领域具有良好的应用前景。但是由于传统的Ni-Ti基形状记忆合金受温度场控制，导致响应频率较低(～Hz)，不适合于高响应频率的应用。与Ni-Ti合金不同，具有热弹性马氏体相变的Ni-Mn-Ga磁性记忆合金除了受温度场控制，还可以受磁场控制，表现出大的磁诱发应变(6～10％)和高的响应频率(～kHz)，因此在高频率响应、大应变输出的驱动控制等领域具有更好的发展前景。但是，由于该类材料属于金属间化合物，因此脆性较大，极大地限制了其实际应用。为了解决这一问题，研究人员提出了多种解决办法：其中主要包括制备合金薄膜、条带、复合材料等。薄膜和条带主要是通过晶粒细化降低合金脆性，但是由于薄膜和条带受形状和尺寸的局限，很难获得大块的体材料，相比而言，将磁性记忆合金制备成复合材料可以满足工程实际应用对材料尺寸和形状的要求。
美国麻省理工学院的研究人员借鉴稀土磁致伸缩材料Terfenol-D颗粒/树脂复合材料的成功研究经验，提出了制备Ni-Mn-Ga磁性记忆合金颗粒/树脂复合材料的想法，拟通过树脂基体改善合金的加工性能和力学性能，通过磁性记忆合金颗粒提供功能特性。研究表明，Ni-Mn-Ga颗粒/树脂复合材料在温度场的作用下可以表现出一定的形状记忆效应。目前，Ni-Mn-Ga颗粒/树脂复合材料的研究主要集中在阻尼性能方面，在小变形条件下，复合材料可以通过Ni-Mn-Ga颗粒的马氏体相变提高阻尼，在大变形条件下，复合材料可以通过Ni-Mn-Ga颗粒内部的马氏体孪晶界移动吸收能量，提高复合材料的阻尼性能。另外，在温度场作用下通过合金颗粒的马氏体相变，Ni-Mn-Ga颗粒/环氧树脂复合材料可以表现出约为200ppm的应变，在磁场作用下磁诱发应变输出约为50ppm。除了Ni-Mn-Ga合金，研究人员还将Ni-Co-Mn-In变磁性记忆合金颗粒与聚氨酯、环氧树脂等基体复合，获得了具有磁诱发相变性能的复合材料。目前选用的基体大多为树脂材料，但是由于树脂材料的力学强度较低，所以复合材料的整体力学强度不高，这不利于高载荷条件下的工程应用。
与树脂材料相比，金属材料具有较高的强度，可以满足不同材料强度的要求，同时，金属基体与磁性记忆合金同属于金属材料，因此，与树脂基体相比，界面结合更容易调控。目前磁性记忆合金复合材料报道的金属基体主要为镁，制备方法为放电等离子体烧结。结果表明，通过改变磁性记忆合金颗粒尺寸可以有效调控磁性记忆合金与镁基体的界面反应，与镁复合后显著改善了材料的力学强度和塑性。但是，我们知道，金属镁有一个主要的缺点，就是耐腐蚀性较差，这会大大缩短工程应用中的使用寿命。同时，报道的制备方法主要为放电等离子体烧结，该方法需要专用的烧结设备，制备成本较高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有马氏体相变特性、强度高的磁性记忆合金与铜的复合材料。本发明的目的还在于提供一种工艺简单、成本低廉的磁性记忆合金与铜的复合材料的制备方法。
本发明的目的是这样实现的：
本发明的磁性记忆合金与铜的复合材料是颗粒尺寸小于50微米的磁性记忆合金颗粒、与颗粒尺寸小于50微米的铜粉末，按照磁性记忆合金颗粒的质量分数为40～60％将磁性记忆合金颗粒与铜粉末在球磨机中混合20～60分钟，将混合粉末置于模具中在室温下于700～800MPa冷压成型，将冷压成型块材置于热处理炉中在氩气保护下于950～1000℃烧结0.5～1.5小时，所得到的磁性记忆合金与铜复合材料。
本发明的磁性记忆合金与铜的复合材料的制备方法包括：
(1)将磁性记忆合金颗粒与铜粉末在球磨机中混合20～60分钟得到混合粉末，其中磁性记忆合金颗粒的质量分数为40～60％；
(2)将混合粉末置于模具中在室温下于700～800MPa冷压成型得到冷压成型块材；
(3)将冷压成型块材置于热处理炉中在氩气保护下于950～1000℃烧结0.5～1.5小时。
本发明的磁性记忆合金与铜的复合材料的制备方法还可以包括：
1.所述磁性记忆合金颗粒的颗粒尺寸小于50微米。
2.所述铜粉末的颗粒尺寸小于50微米。
本发明提供了一种具有马氏体相变特性的高强度磁性记忆合金/铜复合材料。还提供了一种工艺简单、成本低廉的磁性记忆合金/铜复合材料制备方法。与金属镁相比，金属铜具有更高的强度、塑性、耐腐蚀性和导电、导热等性能，因此，本发明提出将磁性记忆合金颗粒与铜基体进行复合，然后通过制备成本较低的无压烧结法制备磁性记忆合金铜基复合材料。
本发明的主要优点体现在：
(1)本发明的磁性记忆合金/铜复合材料的压缩强度可以达到1400MPa，压缩应变约为20％，远高于目前报道的磁性记忆合金/镁复合材料(压缩强度<300MPa,压缩应变<20％)，可以实现在高载荷条件下的工程应用。
(2)本发明的磁性记忆合金/铜复合材料制备方法为混合粉体冷压后直接在热处理炉中进行烧结成型，不需要专用设备，生产工艺简单，可以有效降低制备成本。
附图说明
图1为Ni-Mn-Ga/Cu复合材料的制备过程示意图；
图2a-图2b为Ni-Mn-Ga/Cu复合材料的扫描电镜观察图片；
图3为Ni-Mn-Ga/Cu复合材料、烧结纯Cu和Ni-Mn-Ga多晶块材的压缩应力-应变曲线；
图4为Ni-Mn-Ga/Cu复合材料的交流磁化率-温度测试曲线；
图5为Ni-Mn-Ga/Cu复合材料与烧结纯Cu的应变-温度测试曲线。
具体实施方式
下面举例对本发明做更详细的描述。
(1)利用专利号ZL200710071687.8专利文件中公开的高能球磨法制备Ni49.8Mn28.5Ga21.7磁性记忆合金颗粒，获得颗粒尺寸小于50微米的Ni-Mn-Ga颗粒；
(2)选择颗粒尺寸小于50微米的球形铜粉(雾化成型)；
(3)将铜粉与Ni-Mn-Ga颗粒用球磨机混合20分钟得到混合粉末，Ni-Mn-Ga颗粒的质量分数为60％；
(4)在室温将混合粉末置于模具中于770MPa冷压成型；
(5)将成型块材置于热处理炉中在流动氩气保护下于1000℃烧结1小时，得到磁性记忆合金颗粒/铜复合材料,具体制备过程如图1所示。
(6)利用扫描电镜观察复合材料的显微组织结构，如图2a-图2b所示，可以看出复合材料中有少量的黑色孔洞存在，材料整体较为致密；Ni-Mn-Ga颗粒成条带状分布于铜基体颗粒或晶粒之间，并与铜基体保持良好的界面结合；在基体内部还能观察到少量的析出相，如图中箭头所示。
(7)利用万能电子材料试验机测试复合材料的压缩力学性能，如图3所示，为了便于对比，图中同时给出了烧结纯铜和Ni-Mn-Ga多晶块材的压缩曲线，从图中可以看出，Ni-Mn-Ga合金表现出低的强度和塑性，纯铜在压缩过程中不发生断裂(压成薄片状)，表现出大塑性变形，但是强度较低。二者经过复合后，可以清楚看到，复合材料的整体力学强度提高，压缩强度可以达到1400MPa，同时保持了约20％的断裂应变。因此，与Ni-Mn-Ga和纯铜相比，复合材料的力学性能得到显著提高，同时要远高于目前报道的磁性记忆合金/镁复合材料的力学强度(<300MPa)；
(8)利用多参数磁学测试系统测试复合材料的交流磁化率-温度曲线，如图4所示，复合材料在～95℃发生居里转变，同时在40～80℃的升温和降温过程中磁化率表现出一定的滞后，说明在此区间发生了马氏体相变和逆相变。
(9)利用多参数磁学测试系统测试复合材料的应变-温度曲线，如图5所示，随着温度变化纯铜表现为单一变化曲线，这主要是由热胀冷缩导致的。但是复合材料在40～80℃观察到一定的应变滞后，这与复合材料的相变温度区间相近，说明这是由马氏体相变导致的，相变应变约为30ppm。
Claims (4)
1.一种磁性记忆合金与铜的复合材料，其特征是：是颗粒尺寸小于50微米的磁性记忆合金颗粒、与颗粒尺寸小于50微米的铜粉末，按照磁性记忆合金颗粒的质量分数为40～60％将磁性记忆合金颗粒与铜粉末在球磨机中混合20～60分钟，将混合粉末置于模具中在室温下于700～800MPa冷压成型，将冷压成型块材置于热处理炉中在氩气保护下于950～1000℃烧结0.5～1.5小时，所得到的磁性记忆合金与铜复合材料。
2.一种磁性记忆合金与铜的复合材料的制备方法，其特征是：
(1)将磁性记忆合金颗粒与铜粉末在球磨机中混合20～60分钟得到混合粉末，其中磁性记忆合金颗粒的质量分数为40～60％；
(2)将混合粉末置于模具中在室温下于700～800MPa冷压成型得到冷压成型块材；
(3)将冷压成型块材置于热处理炉中在氩气保护下于950～1000℃烧结0.5～1.5小时。
3.根据权利要求2所述的磁性记忆合金与铜的复合材料的制备方法，其特征是：所述磁性记忆合金颗粒的颗粒尺寸小于50微米。
4.根据权利要求2或3所述的磁性记忆合金与铜的复合材料的制备方法，其特征是：所述铜粉末的颗粒尺寸小于50微米。
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