磁控形状记忆合金作动器设计及其控制效果

    磁控形状记忆合金（MSMA）兼具磁致伸缩材料响应速度快，比温控型形状记忆合金变形率大的优点，到目前为止，其变形率可达到10 %以上，动态响应时间为微秒级，响应频率可达1 000 Hz。比温控形状记忆合金动态响应速度提高近百倍。因此被广泛地应用于结构的主动、半主动振动控制中。

    目前，MSMA材料及其作动器的研究尚处于起步阶段，还不可能普及应用，主要有以下几个方面的原因[1]：MSMA材料出现时间较短，人们对其变形机理及磁控特性仍然不是非常清楚，有待进一步的研究；当前，MSMA 还没有商品化且材料价格昂贵，MSMA 材料的工作温度区间较窄，限制了其应用推广。但是，由于磁控形状记忆忆合金兼具压电陶瓷和磁致伸缩材料响应频率快和温控形状记忆合金输出应变和应力大的优点，随着人们对MSMA材料的更深入研究和完善，MSMA材料及其作动器必将得到广泛应用，有望成为未来新一代驱动器和传感器的关键材料，具有广阔的市场前景。在我国，无论是对MSMA材料本身还是对其应用基础的研究，皆处于起步阶段。因此，对MSMA作动器特性及控制方法的研究更具有深远的意义。

    1 MSMA 的力学性能

    磁控形状记忆合金的应力－应变曲线与传统形状记忆合金的相似[1]，如图1，随应力的增加，材料首先有一对应单变体的模量C0。在对应于孪晶界移动触发的临界应力以上，模量降低为Ctb，依赖孪晶变体结构，材料可能在达到去孪晶前具有相变应变ε0。接下来为去孪晶过程，相变应变对应于马氏体相变的晶体畸变，对更高的应力，模量恢复到其单变体的值。

    图1测得Ni2Mn Ga 晶体的力学参数为以下量级: 1～10 MPa，C0=2 GPa，ε0=0.006 和 Ctb=18～30MPa，相对于母相 70 GPa 的硬度，马氏体小的 C0模量值可能反映了在大量孪晶界开动前有少量的孪晶界移动。

    Ni-Mn-Ga 合金表现出三种变形关系。包括：应力-应变关系；马氏体转变时磁场增大应变；通过铁磁马氏体孪晶变体重组发生的磁场诱发变形（MFIS）。

    Ni-Mn-Ga 合金的应力－应变关系已经得到了详细的研究。应力－应变主要包括三个阶段，首先是单晶变体的弹性阶段，其次是孪晶变形和重组的变形体再定位，然后再是单晶变体的弹性变形阶段，如图2所示的应力－应变曲线。图（a）和图（b）表示Ni53Mn25Ga22和Ni54Mn23Ga23不可调马氏体的单晶体试样的应力-应变曲线。Ni53Mn25Ga22变体重组的应变大约是 15 %，Ni54Mn23Ga23为 13.5 %。对于 Ni53Mn25Ga22和Ni54Mn23Ga23不可调马氏体孪晶重组和应力 σtw大约为20 MPa，材料试样表现出了高磁化强度和强磁各向异性。结果揭示了在不可调马氏体的Ni-Mn-Ga合金中可以期望得到更大的磁场诱发应变和应力。