[发明专利]具有磁性形状记忆合金的操作元件及其制造方法

说明书

本发明涉及一种操作元件和一种用于制造具有磁性形状记忆合金的操作元件的方法。在该方法中，磁性形状记忆合金的至少一部分被设置为响应磁场的活性区域(1，2)，并且磁性形状记忆合金的至少一个其他部分被设置为对磁场无响应的非活性区域(3)。

技术领域

本发明涉及一种如权利要求1的前序所述的操作元件，以及一种用于制造如权利要求16的前序所述的操作元件的方法。

根据本发明的操作元件包含磁性形状记忆合金材料，旨在用作各种装置和设备的操作或功能元件。在操作元件中的某些区域可以通过磁性形状记忆(MSM)效应来激活，此处定义其为活性区域；而其他区域则通过特殊的制造方法使其变为非活性，从而使这些非活性区域不会在所施加的磁场中产生形变，但是它们具备有设备的其他必不可少的功能。非活性区域可以用作设备的外壳、弹簧、磁通路径、抓具、阀、光学或电气开关，流体腔或通道或它们的一部分。本发明是一种解决方案，其局部磁场用于对磁性形状记忆材料上的孪晶变体结构产生局部变化，使得其中的元件可能被局部约束。该操作元件可以由目前表现出最佳磁性形状记忆性能的Ni-Mn-Ga或Ni-Mn-Ga基合金制成。本发明将简化各种工业设备的复杂装置，例如光学，流体，微工程和生物医学行业。由于整个设备或设备中的操作部分包含的多个功能部件可以由一个含有磁性形状记忆材料的源件来制成，因而本发明在微米和纳米级装置应用中特别重要。

背景技术

磁性形状记忆(MSM)合金或铁磁性形状记忆(FSMA)合金是一种独特的材料，当向它们施加磁场时，它们会产生百分之几的形变。磁性形状记忆合金制成的样品所产生的形变是基于磁场感应，并相对应于样品中孪晶变体的比例。磁性形状记忆材料的主要组份是Ni-Mn-Ga合金。磁性形状记忆材料包含至少两个孪晶变体，孪晶变体之间由孪晶边界分隔。该材料必须具有足够高的磁晶各向异性能和较低的孪晶应力，以便在向该材料施加足够强度和方向的外部磁场时，该材料的易磁化方向和晶体轴能随着磁场的变化而变化。该材料必须包含两个晶体方向，其晶格参数为a和c，轴c为较短轴。例如，这种材料是Ni-Mn-Ga的10M马氏体。在此示例中，c轴是该材料容易磁化的方向。磁化方向切换的平面在下文中称为活性平面。孪晶变体的体积相对于整个材料的体积的比率被定义为该所述孪晶变体的体积分数。本发明并不限于Ni-Mn-Ga合金或其他赫斯勒(Heusler)合金。孪晶变体的类型可以根据材料而有所不同。当晶体是例如单斜晶，正交晶或四方晶时，材料中的孪晶变体的类型也可以是不同的，例如I型和II型孪晶。这些孪晶变体具有不同的属性，例如在孪晶变体之间切换的孪晶应力和需求磁场能量。以下，将磁性形状记忆合金或MSM合金定义为在其中发生了磁性形状记忆效应的材料，即，它的形状会通过在其上面施加足够强度的磁场和合适的方向来改变。

磁性形状记忆材料由于具有能够从与该材料不连接的能量源中快速且精确地产生形变的能力，因此具有巨大的商业潜力。由于缺少合适的能够在微米和纳米级装置中产生大行程的活性技术，因而磁性形状记忆装置在微米和纳米级装置应用中显示出了巨大的商业潜力。旋转和线性电动机无法缩小到微米尺寸级，并且压电或磁致伸缩材料产生的行程很小，仅占由Ni-Mn-Ga合金所制成的磁性形状记忆材料最大行程的百分之一。磁性形状记忆效应的效率(机械功输出/磁场能量)可以超过95％，疲劳寿命超过20亿个循环。最近表明，当在Ni-Mn-Ga中的驱动速度为4m/s，加速度超过一百万m/s2时，这被认为是所有驱动器材料中最高的加速度。由于驱动速度和加速度主要是受磁性形状记忆元件移动部分的惯性所限制，小型磁性形状记忆装置可从高驱动速度和高加速度中获得最大收益。而较大的磁性形状记忆装置要比小型装置慢。