鐵磁形狀記憶合金(FSMAs)是一種可在磁場驅動下變形的材料，在作動器、傳感器、振動能量收集器等領域具有廣闊的應用前景。Ni2MnGa Heusler合金是FSMAs的原型。它們表現出從鐵磁奧氏體到鐵磁馬氏體的馬氏體轉變(MT)，并伴有飽和磁化強度的微小變化。在馬氏體狀態下，Ni-Mn-Ga合金呈現出層次化和高度可移動的孿晶結構，孿晶應力降低到0.05 MPa左右。由于FSMAs具有很強的磁彈性耦合特性，在外加磁場作用下，FSMAs會產生1-3 MPa的等效單軸應力，其大小足以引起晶界運動，從而產生巨磁場誘導應變效應。在多晶情況下，由于相鄰晶粒的約束阻礙了孿晶界運動，導致了低磁感生應變(MFIS)效應，雖然已提出了不同的方法來提高MFIS，但是仍有困難需解決。最近，出現新的方法來設計磁應變活性材料，通過使用單晶顆粒，制備了Ni-Mn-Ga/聚合物復合材料，形成了5M馬氏體，但是對該類型復合材料的結構和變形機制尚不清晰。

日本東京工業大學的研究人員制備了單晶Ni49.9Mn28.5Ga21.6 (SC Ni-Mn-Ga)鐵磁形狀記憶合金顆粒，合成了硅橡膠和含20%SC Ni-Mn-Ga顆粒的復合材料，探討了該復合材料的組織結構。相關論文以題為“Large magnetostrains of Ni-Mn-Ga/silicone composite containing system of oriented 5M and 7M martensitic particles”發表在Scripta Materialia。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2021.114265

通過電弧熔煉制備Ni49.9Mn28.5Ga21.6 (±0.03 at.%)合金，冷卻后進行1000℃×24h均勻化處理。將合金在350℃預熱10min，在100℃用研杵法分解成單晶顆粒，將SC Ni-Mn-Ga顆粒在800℃下熱處理1 h(爐冷)。采用溫度固化的硅膠單體、固化劑、20 %的Ni-Mn-Ga顆粒制備SC Ni-Mn-Ga/硅橡膠復合材料。

研究發現正向馬氏體轉變起始溫度(Ms)和結束溫度(Mf)分別為33℃和26℃；反馬氏體相變起始溫度(As)和結束溫度(Af)分別為39℃和43℃。SC Ni-Mn-Ga粒子在27℃時表現出5M和7M馬氏體相共存，而在39℃時，只存在5M馬氏體。MFIS的滯回行為是由粒子的缺陷結構和復合材料中的空間排列影響的。在缺陷結構下，單晶表面的劃痕和粗糙度會阻礙孿晶界的運動，因此表面無缺陷十分重要；空間排列與相鄰粒子對形狀有明顯影響。

圖1 鑄錠的SEM圖和元素分布

圖2 不同溫度下SC Ni-Mn-Ga的XRD結果

圖3 SC Ni-Mn-Ga顆粒/硅橡膠復合材料的形貌

圖4 不同磁場強度下復合材料的光學圖像

綜上所述，本研究制備了單晶Ni49.9Mn28.5Ga21.6(SC Ni-Mn-Ga)顆粒。在SC Ni-Mn-Ga/硅橡膠復合材料中可以實現4%的可逆低滯后MFIS。填充密度較低復合材料的磁應變增強主要是由于7M馬氏體的存在，其MFIS約為5M馬氏體的2倍。MFIS的場滯后減小被認為是由于顆粒制備過程中損傷較小和填料體積分數減小的結果。本文證實了磁應變SCNi-Mn-Ga粒子/聚合物復合材料是一種很有前景的驅動器材料。