NiMnGa磁性记忆合金与环氧树脂复合材料及制备方法 【技术领域】
本发明涉及一种复合材料。本发明也涉及一种复合材料的制备方法。具体地说是一种具有择优取向的磁性记忆合金颗粒/环氧树脂复合材料及制备方法。
背景技术
NiMnGa铁磁性记忆合金是近年来发展起来的一种新型记忆材料，兼具热弹性马氏体相变和铁磁性，既可用作温度传感器，也可用作磁场传感器。研究发现，只有在单晶的NiMnGa合金中才能获得大的磁诱发应变，目前国外已有公司(AdaptaMat公司)利用NiMnGa单晶制作小型驱动器，其大小和一个普通曲别针相当，测试响应时间0.2ms。国内也有沈阳工业大学采用仿生学原理成功地将NiMnGa单晶应用于蠕动型直线电机中，测试结果良好。这些例子充分说明了NiMnGa磁性记忆合金在工程应用方面的价值，有望成为未来新一代执行器的关键材料。但是由于NiMnGa单晶材料制备困难，且在单晶生长过程中存在分凝效应而导致成分偏差，既不利于获得稳定的磁感生应变，又不能满足大规模工业应用的需求。NiMnGa多晶材料容易制备，成分均匀，但存在较脆的缺点。因此如何能更好地发挥铁磁性记忆合金的大可逆应变量与高响应速率优点，同时避开材料本身易脆的缺点，是NiMnGa合金应用的趋势。
为了解决NiMnGa合金存在的问题，国际上科学家提出了制备NiMnGa磁性记忆合金颗粒/树脂智能复合材料的概念，目的是利用NiMnGa合金优良功能特性的同时，通过树脂基体改善NiMnGa合金的力学性能。目前研究的NiMnGa合金颗粒/树脂复合材料基本分为两类，一类是复合材料固化期间不施加外磁场，形成的具有随机取向分布NiMnGa合金颗粒的复合材料(0-3型复合材料)，另一类是复合材料固化期间施加外磁场，形成的具有择优取向分布NiMnGa合金颗粒的复合材料(1-3型复合材料)。美国麻省理工学院J.Feuchtwanger等在研究NiMnGa合金颗粒/树脂复合材料的阻尼性能时指出，具有择优取向NiMnGa合金颗粒的1-3型复合材料可以更好地对外应力场作出响应，从而产生较高的能量吸收。但是他们并没有给出具有择优取向的复合材料的制备方法，而且选用的NiMnGa合金颗粒通过电火花腐蚀方法制备，这种方法不仅成本高，而且效率低，增加了复合材料的制备成本。加拿大的研究人员R.Ham-Su等指出，具有择优取向NiMnGa合金颗粒的1-3型复合材料可以较好地发挥NiMnGa合金的磁性形状记忆性能，他们初步研究了1-3型NiMnGa合金颗粒/树脂复合材料的制备方法，但是在施加外磁场取向NiMnGa颗粒时，他们需要采用反复翻转复合材料样品的方法来抑制NiMnGa合金颗粒的沉淀，存在制备过程复杂、颗粒分布状态较难控制等缺点。
【发明内容】
本发明的目的在于提供一种具有择优取向，既具有温度场响应特性也具有磁场响应特性的NiMnGa磁性记忆合金与环氧树脂复合材料。本发明的目的还在以提供一种工艺简单、成本低、重复性好，适合于批量生产的NiMnGa磁性记忆合金与环氧树脂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NiMnGa磁性记忆合金与环氧树脂复合材料是：(1)选择颗粒尺寸范围为5～70微米的NiMnGa磁性记忆合金颗粒；(2)干燥并筛分所述NiMnGa磁性记忆合金颗粒；(3)用偶联剂对磁性记忆合金颗粒进行表面处理；(4)将环氧树脂在50～70℃水浴内加热稀释；(5)将偶联剂处理后的磁性记忆合金颗粒放入步骤(4)稀释的环氧树脂中，磁性记忆合金颗粒的含量为10～50wt％，进行充分的搅拌，并超声振荡10～15分钟；(6)将适量的环氧树脂固化剂加入步骤(5)制备的混合物中，并进行充分搅拌；(7)将混合物填入模具，利用超声波振荡10～15分钟；(8)将步骤(7)的模具放在强度为1000～3000奥斯特的均匀磁场内使NiMnGa颗粒在磁场作用下得到取向，同时进行24小时室温固化；(9)将步骤(8)中初步固化的复合材料在100～150℃下进行2～8小时充分固化所得到的NiMnGa磁性记忆合金与环氧树脂复合材料。
本发明的NiMnGa磁性记忆合金与环氧树脂复合材料的制备方法：(1)选择颗粒尺寸范围为5～70微米的NiMnGa磁性记忆合金颗粒；(2)干燥并筛分所述NiMnGa磁性记忆合金颗粒；(3)用偶联剂对磁性记忆合金颗粒进行表面处理；(4)将环氧树脂在50～70℃水浴内加热稀释；(5)将偶联剂处理后地磁性记忆合金颗粒放入步骤(4)稀释的环氧树脂中，磁性记忆合金颗粒的含量为10～50wt％，进行充分的搅拌，并超声振荡10～15分钟；(6)将适量的环氧树脂固化剂加入步骤(5)制备的混合物中，并进行充分搅拌；(7)将混合物填入模具，利用超声波振荡10～15分钟；(8)将步骤(7)的模具放在强度为1000～3000奥斯特的均匀磁场内使NiMnGa颗粒在磁场作用下得到取向，同时进行24小时室温固化；(9)将步骤(8)中初步固化的复合材料在100～150℃下进行2～8小时充分固化。
本发明采用机械搅拌的方法将铁磁性形状记忆合金颗粒与树脂材料相复合，在制备过程中通过外加磁场作用调整铁磁性形状记忆合金颗粒的取向，最终得到一种新型的智能复合材料，既能温度响应，又能磁场响应。
本发明通过优化工艺参数，调整复合材料固化时的温度和粘度，以及外加磁场的大小和方向，制备了具有择优取向的复合材料，其内部NiMnGa合金颗粒呈条带状择优分布。制备的复合材料呈现热弹性马氏体相变，既具有温度场响应特性(热诱发应变约为200ppm)，也具有磁场响应特性(磁诱发应变约为50ppm)。该复合材料的制备工艺简单、成本低、重复性好，适合于批量生产。
【附图说明】
图1为NiMnGa合金颗粒/环氧树脂复合材料的制备过程示意图；
图2为NiMnGa合金颗粒的交流磁化率测试曲线；
图3为NiMnGa合金颗粒/环氧树脂复合材料固化期间加磁场取向示意图；
图4为NiMnGa合金颗粒/环氧树脂复合材料的显微组织；
图5为NiMnGa合金颗粒/环氧树脂复合材料的交流磁化率测试曲线；
图6为NiMnGa合金颗粒/环氧树脂复合材料的热诱发应变测试曲线。
【具体实施方式】
下面举例对本发明做更详细地描述：
本发明的具有择优取向的NiMnGa磁性记忆合金颗粒/环氧树脂复合材料的制备方法的工艺路线是：
1.利用专利号ZL200710071687.8的专利文件中公开的高能球磨法制备NiMnGa磁性记忆合金颗粒。所述的NiMnGa磁性记忆合金颗粒优选的原子百分比为Ni 49.8％、Mn 28.5％和Ga 21.7％的Ni49.8Mn28.5Ga21.7磁性记忆合金颗粒颗粒；
2.充分干燥并筛分NiMnGa合金颗粒，使颗粒尺寸控制在5～70微米；
3.用钛酸酯偶联剂对合金颗粒进行表面处理；
4.利用60℃水浴加热稀释液态E-44环氧树脂；
5.将偶联剂处理后的合金颗粒放入步骤4配好的溶液中，设计颗粒含量为50wt％，然后进行充分的搅拌，并超声波振荡15分钟；
6.往步骤5的溶液中加入三乙烯四胺固化剂，搅拌均匀；
7.将步骤6的混合物注入模具，然后超声波处理15分钟，使颗粒在树脂基体中均匀分布，并去除树脂内部气泡；
8.将模具放在2000Oe均匀磁场中，使NiMnGa颗粒得到取向(如图3所示)，并室温固化24小时；
9.成型产品在120℃下保温4个小时，使复合材料充分固化；
10.用扫描电镜观察复合材料的微观结构，如图4所示，NiMnGa颗粒在树脂基体内部沿外磁场方向呈条带状分布；
11.用X射线衍射分析仪测试表明，NiMnGa合金颗粒的易磁化方向沿外磁场方向择优取向；
12.用交流磁化率测试系统测量复合材料的马氏体相变和磁性转变温度，如图5所示，复合材料的马氏体相变温度(TM)，马氏体逆相变温度(TA)和磁性转变温度(TC)与合金颗粒的基本相同(图2所示)；
13.用磁致伸缩测试系统测量复合材料的温度场和磁场诱发应变，测试结果表明，复合材料的热诱发应变约为200ppm(图6所示)，磁诱发应变约为50ppm。