铁磁形状记忆合金(FSMAs)是一种可在磁场驱动下变形的材料，在作动器、传感器、振动能量收集器等领域具有广阔的应用前景。Ni2MnGa Heusler合金是FSMAs的原型。它们表现出从铁磁奥氏体到铁磁马氏体的马氏体转变(MT)，并伴有饱和磁化强度的微小变化。在马氏体状态下，Ni-Mn-Ga合金呈现出层次化和高度可移动的孪晶结构，孪晶应力降低到0.05 MPa左右。由于FSMAs具有很强的磁弹性耦合特性，在外加磁场作用下，FSMAs会产生1-3 MPa的等效单轴应力，其大小足以引起晶界运动，从而产生巨磁场诱导应变效应。在多晶情况下，由于相邻晶粒的约束阻碍了孪晶界运动，导致了低磁感生应变(MFIS)效应，虽然已提出了不同的方法来提高MFIS，但是仍有困难需解决。最近，出现新的方法来设计磁应变活性材料，通过使用单晶颗粒，制备了Ni-Mn-Ga/聚合物复合材料，形成了5M马氏体，但是对该类型复合材料的结构和变形机制尚不清晰。

日本东京工业大学的研究人员制备了单晶Ni49.9Mn28.5Ga21.6 (SC Ni-Mn-Ga)铁磁形状记忆合金颗粒，合成了硅橡胶和含20%SC Ni-Mn-Ga颗粒的复合材料，探讨了该复合材料的组织结构。相关论文以题为“Large magnetostrains of Ni-Mn-Ga/silicone composite containing system of oriented 5M and 7M martensitic particles”发表在Scripta Materialia。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2021.114265

通过电弧熔炼制备Ni49.9Mn28.5Ga21.6 (±0.03 at.%)合金，冷却后进行1000℃×24h均匀化处理。将合金在350℃预热10min，在100℃用研杵法分解成单晶颗粒，将SC Ni-Mn-Ga颗粒在800℃下热处理1 h(炉冷)。采用温度固化的硅胶单体、固化剂、20 %的Ni-Mn-Ga颗粒制备SC Ni-Mn-Ga/硅橡胶复合材料。

研究发现正向马氏体转变起始温度(Ms)和结束温度(Mf)分别为33℃和26℃；反马氏体相变起始温度(As)和结束温度(Af)分别为39℃和43℃。SC Ni-Mn-Ga粒子在27℃时表现出5M和7M马氏体相共存，而在39℃时，只存在5M马氏体。MFIS的滞回行为是由粒子的缺陷结构和复合材料中的空间排列影响的。在缺陷结构下，单晶表面的划痕和粗糙度会阻碍孪晶界的运动，因此表面无缺陷十分重要；空间排列与相邻粒子对形状有明显影响。

图1 铸锭的SEM图和元素分布

图2 不同温度下SC Ni-Mn-Ga的XRD结果

图3 SC Ni-Mn-Ga颗粒/硅橡胶复合材料的形貌

图4 不同磁场强度下复合材料的光学图像

综上所述，本研究制备了单晶Ni49.9Mn28.5Ga21.6(SC Ni-Mn-Ga)颗粒。在SC Ni-Mn-Ga/硅橡胶复合材料中可以实现4%的可逆低滞后MFIS。填充密度较低复合材料的磁应变增强主要是由于7M马氏体的存在，其MFIS约为5M马氏体的2倍。MFIS的场滞后减小被认为是由于颗粒制备过程中损伤较小和填料体积分数减小的结果。本文证实了磁应变SCNi-Mn-Ga粒子/聚合物复合材料是一种很有前景的驱动器材料。