자기 형상 기억 합금

Magnetic shape-memory alloy

강자성 형상 기억 합금(FSMA)이라고도 불리는 자기 형상 기억 합금은 자기장에 반응하여 힘과 변형을 생성하는 특별한 형상 기억 합금입니다.이들 재료에서도 열 형상 기억 효과가 나타났다.

서론

MSM 합금은 적당한 자기장 하에서 운동과 힘을 발생시킬 수 있는 강자성 재료입니다.일반적으로 MSMA는 니켈, 망간 및 갈륨(Ni-Mn-Ga)의 합금입니다.

에 대해 0.2%의 자기 유도의 변형이 1996년에 박사는 카리 Ullakko과 MIT.[1]에서 직장 동료들에 의해 그 이래로, 생산 과정과 그 합금의 그에 따른 치료에 개선 최고 6%의 상업적으로 이용 가능한 단일 결정질 Ni-Mn-Ga MSM elements,[2]을 변형 최대 10-12%는으로 이어졌다 표현되었다.20%친절R&D [3][4]단계에 있는 새로운 합금의 경우.

응답 시간이 짧을 뿐만 아니라 자기적으로 유도되는 변형률도 크기 때문에 MSM 기술은 공압학, 로봇공학,[5] 의료기기 및 메카트로닉스 분야에서 사용되는 혁신적인 액추에이터 설계에 매우 매력적입니다.MSM 합금은 변형에 따라 자기 특성이 변화합니다.작동과 함께 존재하는 이 동반 효과는 변위, 속도 또는 힘 센서와 기계적 에너지 수집기의 [6]설계에 유용할 수 있다.

자기 형상 기억 효과는 합금의 저온 마르텐사이트 단계에서 발생하며, 합금을 구성하는 기본 셀은 사각형 형상을 가집니다.온도가 마르텐사이트-오스테나이트 변환 온도 이상으로 상승하면 합금은 기본 셀이 입방체 형상을 갖는 오스테나이트 단계로 이동합니다.이러한 형상에서는 자기 형상 기억 효과가 손실됩니다.

마르텐사이트에서 오스테나이트로의 이행은 힘과 변형을 일으킨다.따라서 MSM 합금은 열 형상 메모리 합금과 마찬가지로 열적으로 활성화될 수 있습니다(예: 니켈-티타늄(Ni-Ti) 합금 참조).

자기 형상 기억 효과

MSM 합금의 큰 변형을 일으키는 메커니즘은 이른바 MIR(자기 유도 방향 변경)이며,[7] 그림에 약술되어 있습니다.다른 강자성 재료와 마찬가지로 MSM 합금은 외부 자기장에 노출되었을 때 거시적인 자화를 나타내며, 전기장 방향에 따른 기본 자화의 정렬에서 나타난다.그러나 표준 강자성 재료와 달리 배향은 합금을 구성하는 소세포의 기하학적 회전에 의해 얻어지는 것이지 셀 내의 자화 벡터의 회전에 의해 얻어지는 것이 아니다(자기성 등).

자기 형상 메모리 작동 원리.그림에 표시된 변형 꼬임은 설명을 위한 것일 뿐 실제 재료의 꼬임은 4° 미만입니다.

합금에 외력이 가해졌을 때도 비슷한 현상이 발생한다.거시적으로 볼 때 힘은 자기장과 같이 작용하여 기본 셀의 회전을 선호하며 기준 좌표계 내에서의 적용에 따라 신장 또는 축소를 달성합니다.연신 및 수축 프로세스는 예를 들어 연장이 자기적으로 달성되고 수축이 기계적으로 달성되는 그림에 나와 있습니다.

셀의 회전은 MSM 합금의 큰 자기 이방성과 내부 영역의 높은 이동성의 결과입니다.간단히 말해 MSM 요소는 내부 영역에 의해 구성되며, 각 영역은 기본 셀의 방향이 다릅니다(영역은 녹색과 파란색 그림으로 표시됩니다).이 지역들은 쌍둥이 변종이라고 불린다.자기장이나 외부 응력의 적용은 쌍둥이 경계라고 불리는 변종들의 경계를 옮기고, 따라서 한 변종이나 다른 변종들을 선호합니다.원소가 완전히 수축되거나 완전히 길어진 경우, 원소는 하나의 변종만으로 형성되며 단일 변종 상태라고 한다.MSM 소자의 고정 방향 자화는 소자가 수축 상태인지 또는 신장 단일 변형 상태인지에 따라 달라집니다.자기 이방성은 수축 단일 변형 상태와 신장 단일 변형 상태의 요소를 자화하는 데 필요한 에너지 간의 차이입니다.이방성의 값은 MSM 합금의 최대 작업 출력과 관련이 있으며,[8] 따라서 용도에 사용할 수 있는 변형률 및 힘과 관련이 있습니다.

특성.

상업적으로 이용 가능한 요소에 대한 MSM 효과의 주요 특성은 (기술 및 관련 애플리케이션의 다른 측면이 설명되는 경우)에 요약되어 있습니다.

  • 최대 6 %의 부하
  • 최대 3 MPa의 발생 스트레스
  • 최대 스트레인에 대한 최소 자기장: 500 kA/m
  • 풀 스트레인(6%) 최대 2MPa 로더 †
  • 단위 부피당 워크아웃량은 약 150kJ/m^3
  • 에너지 효율(입력 자기 에너지와 출력 기계 작업 간의 변환) 약 90%
  • 약 0.5 MPa의 내부 마찰 응력
  • 자기 및 열활성화
  • 동작시 온도 -40~60 °C
  • 변형 시 투과율 및 전기저항률 변화

피로 특성

( 「 「 」9 )는, 최대 응력 2 MPa 의 사이클을 실시해,[10] 디바이스에서의 MSMA 의 실제의 적용을 서포트하는 유망한 데이터를 제공합니다.높은 피로 수명이 입증되었지만, 이 특성은 결정 구조와 트윈 경계에 따라 달라지는 재료의 내부 트윈 응력에 의해 제어되는 것으로 밝혀졌다.또한, 완전히 변형된(융기 또는 수축된) MSMA를 유도하는 것이 피로 수명을 줄이는 것으로 밝혀졌기 때문에 기능적인 MSMA 시스템을 설계할 때 이 점을 고려해야 한다.일반적으로 응력 집중을 일으키는 표면 거칠기 등의 결함을 줄이면 MSMA의 [11]피로수명과 파괴저항을 높일 수 있다.

합금의 개발

표준 합금은 니켈-망간-갈륨(Ni-Mn-Ga) 합금으로,[1] 1996년 관련 MSM 효과가 처음 발표된 이후 조사되었습니다.조사 중인 다른 합금으로는 철-팔라듐(Fe-Pd) 합금, 니켈-철-갈륨(Ni-Fe-Ga) 합금 및 철(Fe), 코발트(Co) 또는 구리(Cu)를 추가로 함유하는 염기성 Ni-Mn-Ga 합금의 여러 유도체가 있습니다.새로운 합금의 지속적인 개발 및 테스트의 주된 동기는 MSM 합금을 여러 용도에 사용할 수 있도록 내부 마찰, 변환 온도 및 퀴리 온도와 같은 향상된 열자기 기계적 특성을 달성하는 것입니다.실제로 표준 합금의 실제 온도 범위는 최대 50 °C입니다.최근에는 80°C 합금이 제시되었습니다.[12]

자기 형상 기억 효과가 발생하는 데 필요한 트윈 바운더리 모션 메커니즘으로 인해 최대 유도 변형률 측면에서 가장 높은 성능을 발휘하는 MSMA는 단결정이었다.적층 제조는 다공질 다결정 MSMA를 [13]생산하는 기술로 입증되었습니다.완전밀도의 다결정 MSMA와 달리 다공질 구조는 보다 자유로운 움직임을 가능하게 하여 마텐사이트 트윈 경계 운동을 활성화하는 데 필요한 내부 응력을 감소시킨다.또한 소결 및 아닐과 같은 후공정 열처리는 Ni-Mn-Ga 합금의 경도를 크게 높이고 탄성모듈리를 감소시키는 것으로 밝혀졌다.

적용들

MSM 액추에이터 요소는 빠르고 정밀한 모션이 필요한 곳에 사용할 수 있습니다.이는 기존의 형상 기억 합금에 필요한 가열/냉각 사이클에 비해 자기장을 이용한 작동 속도가 빠르기 때문에 더욱 높은 피로 수명을 약속합니다.가능한 응용 분야는 로봇 공학, 제조, 의료 수술, 밸브, 댐퍼, [9]정렬입니다.MSMA는 비교적 작은 공간 [10]영역에서 큰 힘과 스트로크 출력이 가능하기 때문에 액추에이터(즉, 칩 장치용 마이크로 유체 펌프)의 적용에 특히 관심이 있었다.또한 높은 피로 수명과 자속으로부터 기전력을 발생시키는 능력으로 인해 MSMA는 에너지 하베스트 애플리케이션에 [14]관심이 있습니다.

MSMA의 트윈닝 응력(내부 마찰 응력)은 작동 효율을 결정하므로 MSM 액추에이터의 작동 설계는 주어진 합금의 기계적 특성과 자기적 특성에 기초합니다. 예를 [10]들어 MSMA의 자기 투과성은 변형률의 함수입니다.가장 일반적인 MSM 액추에이터 설계는 회전 자기장을 생성하는 영구 자석과 형상 메모리 사이클 중에 기계적 힘을 복원하는 스프링에 의해 제어되는 MSM 소자로 구성됩니다.결정 결함으로 인한 자기 형상 메모리 효과의 제한에 따라 응용 분야에서 MSMA의 효율이 결정됩니다.MSM 효과도 온도에 따라 달라지기 때문에 미세구조와 조성을 제어하여 전이온도를 변화시키도록 조정할 수 있습니다.

레퍼런스

  1. ^ a b Ullakko, K. (1996). "Magnetically controlled shape memory alloys: A new class of actuator materials". Journal of Materials Engineering and Performance. 5 (3): 405–409. doi:10.1007/BF02649344. ISSN 1059-9495.
  2. ^ Wilson, Stephen A.; Jourdain, Renaud P. J.; Zhang, Qi; Dorey, Robert A.; Bowen, Chris R.; Willander, Magnus; Wahab, Qamar Ul; Willander, Magnus; Al-hilli, Safaa M. (2007-06-21). "New materials for micro-scale sensors and actuators: An engineering review". Materials Science and Engineering: R: Reports. 56 (1–6): 1–129. doi:10.1016/j.mser.2007.03.001.
  3. ^ Sozinov, A.; Lanska, N.; Soroka, A.; Zou, W. (2013-01-14). "12% magnetic field-induced strain in Ni-Mn-Ga-based non-modulated martensite". Applied Physics Letters. 102 (2): 021902. doi:10.1063/1.4775677. ISSN 0003-6951.
  4. ^ Pagounis, E.; Szczerba, M. J.; Chulist, R.; Laufenberg, M. (2015-10-12). "Large magnetic field-induced work output in a NiMnGa seven-layered modulated martensite". Applied Physics Letters. 107 (15): 152407. doi:10.1063/1.4933303. ISSN 0003-6951.
  5. ^ T. Schipp, 자기 형상 기억 액추에이터의 설계 및 개발을 위한 시뮬레이션 방법, 2015년, 글로스터셔 대학 박사 논문.
  6. ^ Karaman, I.; Basaran, B.; Karaca, H. E.; Karsilayan, A. I.; Chumlyakov, Y. I. (2007-04-23). "Energy harvesting using martensite variant reorientation mechanism in a NiMnGa magnetic shape memory alloy". Applied Physics Letters. 90 (17): 172505. doi:10.1063/1.2721143. ISSN 0003-6951.
  7. ^ Faehler, Sebastian (2007-08-23). "An Introduction to Actuation Mechanisms of Magnetic Shape Memory Alloys". ECS Transactions. 3 (25): 155–163. doi:10.1149/1.2753250. ISSN 1938-6737.
  8. ^ L. Straka, Ni-Mn-Ga 자기 형상 기억 합금의 자기 및 자기 역학적 특성, Alto University, PhD 논문, 2007.
  9. ^ a b "The MSM net". The MSM net. Retrieved 2016-11-16.
  10. ^ a b c Gabdullin, N; Khan, S H (2015-02-16). "Review of properties of magnetic shape memory (MSM) alloys and MSM actuator designs". Journal of Physics: Conference Series. 588: 012052. doi:10.1088/1742-6596/588/1/012052. ISSN 1742-6596.
  11. ^ Lawrence, T.; Lindquist, P.; Ullakko, K.; Müllner, P. (2016-01-27). "Fatigue life and fracture mechanics of unconstrained Ni–Mn–Ga single crystals in a rotating magnetic field". Materials Science and Engineering: A. 654: 221–227. doi:10.1016/j.msea.2015.12.045. ISSN 0921-5093.
  12. ^ Pagounis, E.; Chulist, R.; Szczerba, M. J.; Laufenberg, M. (2014-07-15). "High-temperature magnetic shape memory actuation in a Ni–Mn–Ga single crystal". Scripta Materialia. 83: 29–32. doi:10.1016/j.scriptamat.2014.04.001.
  13. ^ Acierno, Aaron; Toman, Jakub; Kimes, Katerina; Mostafaei, Amir; Boin, Mirko; Wimpory, Robert; Chmielus, Markus (August 2020). "Grain Growth, Porosity, and Hardness Changes in Sintered and Annealed Binder-jet 3D Printed Ni-Mn-Ga Magnetic Shape Memory Alloys". Microscopy and Microanalysis. 26 (S2): 3082–3085. doi:10.1017/S1431927620023764. ISSN 1431-9276.
  14. ^ Rashidi, Saman; Ehsani, Mohammad Hossein; Shakouri, Meisam; Karimi, Nader (2021-11-01). "Potentials of magnetic shape memory alloys for energy harvesting". Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 537: 168112. doi:10.1016/j.jmmm.2021.168112. ISSN 0304-8853.