[发明专利]一种树脂基Ni-Co-Mn-In合金复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及复合材料技术领域，具体涉及一种树脂基Ni-Co-Mn-In合金复合材料及其制备方法。

背景技术

2006年，日本东京大学的Kainuma等在Ni-Co-Mn-In四元合金中发现一种同时具有大磁诱发应变和大输出应力的新型磁控形状记忆合金。据该课题组报道，对预变形3%的Ni₄₅Co₅Mn_36.7In_13.3单晶施加8 T磁场后，可产生约2.9%的磁诱发恢复应变，且该应变是由磁场诱发马氏体相到母相的相变引起的。通过计算，施加 7 T磁场时伴随相变合金的输出应力大于 100 MPa，远远超过前期开发的Ni-Mn-Ga合金（2~5 MPa）。该结果被《NATURE》杂志报道后，引起广泛关注。除了具有大磁诱发应变和大输出应力，Ni-Co-Mn-In系合金还表现出巨磁阻、大磁热等效应。

新型磁控形状记忆合金（包括Ni-Mn-Ga合金和Ni-Co-Mn-In系合金）都存在的一个重大问题是其多晶合金非常脆，不易成型，严重阻碍了实际应用。单晶的韧性相对较好，但制备成本很高，且不易制备大块或复杂形状。磁控形状记忆合金的多晶脆性及单晶制备的高成本等困难催生了一些新的材料制备工艺，例如利用快速凝固方法制备合金薄带，利用分子束外延、磁控溅射、脉冲激光喷溅等方法制备合金薄膜等。2007年，美国西北大学研究者们制备了Ni-Mn-Ga的泡沫多晶合金，即在该材料中引入气孔以减小晶界的影响。该泡沫合金在磁场诱导下可产生0.115%的输出应变，远大于无气孔细小晶粒的多晶合金。

稀土超磁致伸缩材料Terfenol-D的多晶合金很脆，而且高频下涡流损耗比较大，为克服这些问题，研究者们制备了该合金颗粒与环氧树脂的复合材料，不仅减少了涡流损耗，而且材料的韧性得到很大的改善。该成功例子暗示我们也可以采用合金颗粒与聚合物复合的方法去克服Ni-Mn-Ga系和Ni-Co-Mn-In系合金的多晶脆性问题。与单晶相比，复合材料的制备将更加灵活：既可以选用不同的聚合物做基体，也可以调节复合材料中合金颗粒的比例分数；与多晶相比，复合材料中由于存在较软的聚合物基体，晶界的限制将降低。2003年，美国MIT（Massachusetts Institute of Technology）的课题组利用电火花腐蚀的方法获得了微米粒度的Ni-Mn-Ga合金颗粒，并最终制备了合金颗粒与聚氨酯的复合材料。该复合材料表现出良好的韧性，可以承受反复的拉－压载荷。通过循环拉压应力－应变曲线，他们发现该复合材料具有很大的应力滞后，在振动能量吸收（即阻尼器）方面具有很大的潜力。此后他们通过中子衍射实验证明该复合材料的应力－应变曲线中巨大的应力滞后是由应力诱发孪晶界移动引起的。2007年，德国IFW实验室的Scheerbaum等通过坩埚熔融牵引法获得了直径为~60 μm的Ni-Mn-Ga合金纤维，一定温度退火后的合金纤维经研磨可得到单晶或近单晶合金颗粒，将该合金颗粒与聚酯树脂复合，制备了树脂基Ni-Mn-Ga复合材料。他们通过沿不同方向压缩前后样品的磁化曲线间接证明，对该复合材料施加压力，可诱发合金颗粒中马氏体孪晶界移动。之后他们又通过同步辐射实验直接证明：对该复合材料施加应力可诱发马氏体变体重新取向。

对于树脂基Ni-Mn-Ga合金的复合材料，虽然通过施加应力可诱发马氏体孪晶界移动，但施加外磁场时并未观测到应变输出。这主要是由于树脂基体虽然比较软，但对合金颗粒仍有一定的应力束缚，加之Ni-Mn-Ga系合金的应力阈值很小（只有2~5 MPa），因此树脂基体的应力束缚抑制了磁场下孪晶界的移动。因此，为在磁控形状记忆合金的复合材料中获得磁场诱发应变，需采用具有较大输出应力的合金或选用更软的树脂做基体。与Ni-Mn-Ga系合金相比，Ni-Co-Mn-In四元合金在磁场下输出应力可达100 MPa，因此树脂基Ni-Co-Mn-In合金的复合材料有望在不影响其磁控形状记忆效应的前提下，克服磁控形状记忆合金的多晶脆性。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的不足，提供一种树脂基Ni-Co-Mn-In合金复合材料及其制备方法，在不影响复合材料磁控形状记忆效应的同时，克服了复合材料多晶脆性的技术难题。

本发明的树脂基Ni-Co-Mn-In合金复合材料，由弹性模量为0.45Gpa的树脂和Ni-Co-Mn-In合金组成，其中合金材料占复合材料的体积百分比为25%～50%；