一種磁場驅動扭轉鎳鈷錳錫合金絲及制備方法技術

本發明專利技術公開的是一種磁場驅動扭轉鎳鈷錳錫合金微絲。制備微絲使用的合金成分為：NiaCobMncSnd，其中a+b+c+d＝100，a的原子百分比范圍為40?50，b的原子百分比范圍為0?10，c的原子百分比范圍為35?40，d的原子百分比范圍為10?15。本發明專利技術利用泰勒法制備出不同成分、直徑50?400μm的磁場驅動扭轉合金微絲，在軸向磁場和周向磁場的作用下，合金微絲發生扭轉；該磁場驅動扭轉合金微絲具有磁場驅動扭轉角大、響應速度快的特點，對智能材料及微型化器件的發展及應用具有重要意義。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術屬于金屬智能材料領域，具體涉及一種磁場驅動扭轉鎳鈷錳錫合金微絲。
技術介紹
鐵磁形狀記憶合金是將無擴散馬氏體相變與該類合金的鐵磁性巧妙結合的新型功能材料。目前Heusler型鎳鈷錳錫合金體系在磁場驅動下能夠發生馬氏體逆相變，并且其多晶樣品具有多功能特性包括較好的形狀記憶效應、磁場誘發形狀回復應變和較高的磁場驅動效率等，同時該類材料的價格相對低廉，使得鎳鈷錳錫合金更適合于實際應用，因此越來越成為最受關注的磁場驅動新型功能材料。鐵磁性材料在同時受到軸向磁場和周向磁場的作用時，會引起材料沿軸向產生一個扭轉，這種現象稱為魏德曼效應(Wiedemann Effect)。魏德曼效應是鐵磁性材料的一種磁機械效應，一直都被認為與材料的磁致伸縮性質有關，屬于特殊的磁致伸縮現象。研究此效應對于開發應變大、轉換能量高的新型磁控功能材料具有重要意義。在鎳鈷錳錫體系合金中，多晶材料存在晶界、第二相等因素阻礙孿晶界的運動，而通過制備小尺寸材料，如纖維絲材，能減少晶界的數量，有利于孿晶界移動，而且可以通過適當熱處理，減少應力、缺陷，從而提高變形能力。這對于開發尺寸小、應變大、響應頻率高的微型化功能器件有重要意義。
技術實現思路
本專利技術提供一種在軸向和周向磁場作用下可發生扭轉的鎳鈷錳錫合金微絲。微絲質量高、直徑不同而且連續，在軸向磁場Ha和周向磁場Hc共同作用下，較小磁場就能導致較大扭轉。本專利技術采用以下技術方案：一種磁場驅動扭轉鎳鈷錳錫合金微絲，其特征在于：在磁場作用下，該合金微絲可發生扭轉。一種磁場驅動扭轉鎳鈷錳錫合金微絲，其特征在于：組成成分范圍為 NiaCobMncSnd，其中a+b+c+d＝100，a的原子百分比范圍為40-50，b的原子百分比范圍為0-10，c的原子百分比范圍為35-40，d的原子百分比范圍為10-15，且所用單質原材料Ni、Co、Mn和Sn純度應大于99.99wt.％。一種磁場驅動扭轉鎳鈷錳錫合金微絲，其特征在于：合金微絲直徑為50-400μm，長度為5-200cm。一種磁場驅動扭轉鎳鈷錳錫合金微絲的制備方法，其特征在于：制備該微絲的玻璃包覆拉絲設備由真空系統、電機升降系統、合金導入系統、感應加熱系統、微絲收集裝置、紅外測溫裝置10和循環水冷卻裝置12組成。其中真空系統由機械泵和真空計組成；電機升降系統由伺服電機3和升降桿5組成；合金導入系統由直線導入器1、四通裝置2、導入桿4、波紋管6和玻璃管7組成；感應加熱系統由高頻感應加熱電源和感應線圈9組成；合金微絲11收集裝置由導輪13和繞線輪14組成。該磁場驅動扭轉合金微絲的制備過程包括以下步驟：步驟一、母合金的制備按照上述合金的原子百分比，將所需要的Ni，Co，Mn，Sn逐一進行稱取，質量精確到千分位，然后利用高真空電弧爐進行熔煉，為了保證合金成分的均勻性，合金應反復熔煉4次以上，且應保證中間兩次熔煉過程中配合電磁攪拌。熔煉完成后，為了盡量減小Mn元素的揮發對合金成分造成的影響，稱取母合金錠質量，質量偏差1％以內的合金紐扣錠才可用來進行下一步實驗。步驟二、制絲樣品的制備將步驟一制得的母合金紐扣鑄錠重新熔化，利用高真空電弧爐中自帶的吸鑄裝置，將母合金吸鑄成直徑為5mm的圓棒。將吸鑄的金屬棒真空封裝在耐高溫石英管中，真空度為10-5Pa，經950℃退火6-9h后，隨爐冷卻；最后將獲得的圓棒用低速金剛石圓鋸切割成高度為5-6mm的圓柱。步驟三、制備金屬絲將步驟二中制備的5-6mm高的圓柱形合金棒打磨、清洗、干燥后，裝入直徑為10mm，長15cm的Pyrex玻璃管中。將玻璃管與波紋管連接，開啟冷卻系統循環水，啟動真空系統抽真空后充氬氣至0.1Pa，并利用真空系統洗氣2-5次，以減小合金氧化程度。啟動高頻感應加熱裝置和紅外測溫裝置，待合金棒充分熔化開始沸騰，玻璃管底部熔融軟化時，用帶尖端的玻璃棒從玻璃管底部快速引出 合金微絲，通過水冷或空冷的方式冷卻，即獲得直徑為50-400μm、長度為5-200cm的鎳鈷錳錫合金微絲。上述磁場驅動扭轉鎳鈷錳錫合金微絲制備所采用的設備是：上述鎳鈷錳錫合金微絲制備采用的拉絲設備是為玻璃包覆拉絲機，玻璃包覆拉絲機公開號：CN102127720A本專利技術的優點體現在：(1)合金微絲具有表面平滑、直徑均勻、連續性好等特點，長度最高可達200cm。(2)相對于傳統金屬絲，該合金微絲在較小磁場下就能發生大的扭轉，且具有變形大、響應速度快的特點。因此，該合金微絲在微型驅動、傳感器領域具良好的應用前景。附圖說明下面結合附圖和實例對本專利技術微絲作進一步說明。圖1為鎳鈷錳錫合金微絲SEM圖像；圖2是合金微絲扭轉隨軸向磁場變化曲線；圖3是制備微絲所采用的設備的結構示意圖；其中1為直線導入器，2為四通裝置，3為伺服電機，4為導入桿，5為升降桿，6為波紋管，7為玻璃管，8為合金棒，9為感應線圈，10為紅外測溫裝置，11為合金微絲，12為循環水冷卻裝置，13為導輪，14為繞線輪。 圖4是光杠桿法測量扭轉角的示意圖，其中θ為磁場作用下合金微絲扭轉角度，從初始位置Ⅰ到結束位置Ⅱ R為合金微絲與接收屏之間垂直距離 D為合金微絲到接收屏之間的垂足與光斑初始位置的距離 S為光斑移動位移，由初始位置X0到X之間的實時距離 Ha為螺線管電流Ia產生的軸向磁場 Hc為通電直導線電流Ic產生的周向磁場 具體實施方式為了使本專利技術的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本專利技術進行進一步詳細描述。但它們并不構成對本專利技術的限定，僅作舉例而已。如圖2所示，一種磁場驅動扭轉鎳鈷錳錫合金微絲，該合金微絲在較小磁場下能發生較大扭轉，其組成成分范圍為：NiaCobMncSnd，其中a+b+c+d＝100，a 的原子百分比范圍為40-50，b的原子百分比范圍為0-10，c的原子百分比范圍為35-40，d的原子百分比范圍為10-15。微絲表面平滑光亮、均勻、連續性好，長度為5-200cm。如圖3所示，一種磁場驅動扭轉鎳鈷錳錫合金微絲的制備方法，其特征在于：制備該微絲的玻璃包覆拉絲設備由真空系統、電機升降系統、合金導入系統、感應加熱系統、微絲收集裝置、紅外測溫裝置10和循環水冷卻裝置12組成。其中真空系統由機械泵和真空計組成；電機升降系統由伺服電機3和升降桿5組成；合金導入系統由直線導入器1、四通裝置2、導入桿4、波紋管6和玻璃管7組成；感應加熱系統由高頻感應加熱電源和感應線圈9組成；合金微絲11收集裝置由導輪13和繞線輪14組成。該磁場驅動扭轉合金微絲的制備過程包括以下步驟：步驟一、母合金的制備按照上述合金的原子百分比，將所需要的Ni，Co，Mn，Sn逐一進行稱取，質量精確到千分位，然后利用高真空電弧爐進行熔煉，為了保證合金成分的均勻性，合金應反復熔煉4次以上，且應保證中間兩次熔煉過程中配合電磁攪拌。熔煉完成后，為了盡量減小Mn元素的揮發對合金成分造成的影響，稱取母合金錠質量，質量偏差1％以內的合金紐扣錠才可用來進行下一步實驗。步驟二、制絲樣品的制備將步驟一制得的母合金紐扣鑄錠重新熔化，利用高真空電弧爐中自帶的吸鑄裝置，將母合金吸鑄成直徑為5mm的圓棒。將吸鑄的金屬棒真空封裝在耐高溫石英管中，真空度為10-5Pa，經950℃退火6-9h后，隨爐冷卻；最后將獲得的圓棒用本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種磁場驅動扭轉鎳鈷錳錫合金微絲，其特征在于：在磁場作用下，該合金微絲能發生扭轉；合金微絲組成成分范圍為NiaCobMncSnd，其中a+b+c+d＝100，a的原子百分比范圍為40?50，b的原子百分比范圍為0?10，c的原子百分比范圍為35?40，d的原子百分比范圍為10?15，且所用單質原材料Ni、Co、Mn和Sn純度應大于99.99wt.％。

【技術特征摘要】
1.一種磁場驅動扭轉鎳鈷錳錫合金微絲，其特征在于：在磁場作用下，該合金微絲能發生扭轉；合金微絲組成成分范圍為NiaCobMncSnd，其中a+b+c+d＝100，a的原子百分比范圍為40-50，b的原子百分比范圍為0-10，c的原子百分比范圍為35-40，d的原子百分比范圍為10-15，且所用單質原材料Ni、Co、Mn和Sn純度應大于99.99wt.％。2.如權利要求1所述一種磁場驅動扭轉鎳鈷錳錫合金微絲，其特征在于：合金微絲直徑為50-400μm，長度為5-200cm。3.根據權利要求1或2所述一種磁場驅動扭轉鎳鈷錳錫合金微絲的制備方法，其特征在于：制備該微絲的玻璃包覆拉絲設備主要由真空系統、電機升降系統、合金導入系統、感應加熱系統、微絲收集裝置、紅外測溫裝置(10)和循環水冷卻裝置(12)組成；其中真空系統由機械泵和真空計組成；電機升降系統由伺服電機(3)和升降桿(5)組成；合金導入系統由直線導入器(1)、四通裝置(2)、導入桿(4)、波紋管(6)和玻璃管(7)組成；感應加熱系統由高頻感應加熱電源和感應線圈(9)組成；合金微絲(11)收集裝置由導輪(13)和繞線輪(14)組成；該磁場驅動扭轉合金微絲的制備過程包括以下步驟：步驟一、母合金的制備按照上述合金的原子百分比，將所需要的N...

【專利技術屬性】
技術研發人員：從道永，劉東民，王沿東，張勇，朱潔，高學緒，
申請(專利權)人：北京科技大學，
類型：發明
國別省市：北京;11