[发明专利]一种镁系磁性形状记忆合金及其获得方法

说明书

本发明公开了一种镁系磁性形状记忆合金，通式为Mg₂YZ，其中Y＝Ti或V，Z＝Al、Ga或In。本发明还公开了一种镁系磁性形状记忆合金结构和性质预测方法，基本过程包括：A.计算化学计量比体系的结合能，预判材料存在的可能性，确定初始立方奥氏体结构及磁性配置；B.通过四方变形研究可能的马氏体相变；C.计算弹性常数及声子谱，判断稳定性。本发明采用第一性原理计算法从原子尺度研究镁系合金材料的结构和性质，在深入理解所述合金的微观本质基础上，找到一种磁性形状记忆效应的轻质合金，具有成本低、周期短、重复性好、准确性高的优点。

技术领域

本发明属于计算机与材料交叉领域，具体涉及一种镁系磁性形状记忆合金及其获得方法。

背景技术

形状记忆合金是一类具有形状记忆性能以及超弹性的材料，其形状记忆的性能微观上是通过晶相结构的相互转变来实现的。而磁性形状记忆合金兼具传统形状记忆合金应变大和磁致伸缩材料响应快的优点，因此广受关注。现有技术中，常见的磁性形状记忆合金多为Ni基、Co基、Fe基的。

Ni基磁性形状记忆合金主要包括Ni-Mn-Ga，Ni-Mn-A1，Ni-Fe-Ga，Ni-Mn-In，Ni-Mn-Sn，Ni-Mn-Sb等，均属于L21型Heusler合金族。其高温奥氏体相为面心立方结构，属于空间群。低温马氏体相，根据合金成分不同，有体心四方、体心正交等多种晶体结构。Ni-Mn-Ga合金是研究最早、最广泛、最深入的合金系，添加稀土元素和间隙原子能调控它们的力学性能、居里温度、磁化强度以及相变温度等。目前已经开发了一系列具有磁场诱发马氏体相变的Ni-Co-Mn-X(X＝In，Sn，Sb)合金，并获得了磁控形状记忆效应、巨磁阻、磁热等丰富的物理效应。

Co基磁性形状记忆合金主要包括Co-Ni-Ga，Co-Ni-A1，Co-Ni。其中，Co-Ni-Ga和Co-Ni-A1属于L2₁型Heusler合金族。Co基磁性形状记忆合金的特点是具有高韧性，宽的马氏体相变和磁性转变温度范围和宽的超弹性温区。Co基合金的马氏体相变温度和居里温度对成分非常敏感，马氏体相变温度随Co和Ga，Al含量增加而升高，居里温度随Co含量增加而升高，随Ga和Al含量增加而降低，这种不同的变化趋势拓展了其应用场景。

Fe基磁性形状记忆合金主要包括Fe-Pd，Fe-Pt，Fe-Mn-Ga。其中Fe-Mn-Ga合金的面心立方相属于Heusler合金，是近期才开发出来的磁性形状记忆合金。刘国栋、王新强等(Fe和Co元素在铁磁性形状记忆合金Mn₅₀Ni₂₅-xFe(Co)xGa₂₅中的作用，物理学报2006(09)，4883-4887)系统研究了Fe-Mn-Ga合金的晶体结构，发现在比较小的成分范围内该合金具有体心立方结构，而在较大的成分范围内为体心立方和面心立方的双相结构。Fe-Mn-Ga合金的体心立方相具有热弹性马氏体相变特征，相变产物为体心四方相。

但是，上述这些合金密度都较大(8～10g/cm³)，限制了它们的轻质应用。

随着计算机技术、数值模拟与预测方法在材料科学与工程领域所取得的进步，近年来，“计算材料学”已发展为一个新兴的、跨学科分支，它综合了材料科学、物理学、计算机科学、数学、化学以及机械工程等学科。“计算材料学”的发展，使材料科学研究从半经验定性描述逐渐进入定量预测控制的更为科学的阶段。据预期，今后材料科学研究将是“试验-数据库的更新-计算机模拟-合成新材料”间的无限循环。计算机模拟与预测在新材料的开发中有着降低研制成本及缩短研制周期的作用。计算机模拟与预测主要基于数值模拟方法及一些数学方法等的计算或求解，结合材料的其他特性，用计算机来实现对材料的组分、性能及工艺性质等的模拟和预测。