NiFeGa和NiMnGa形状记忆合金带中的热记忆效应：迈向最高温度记录应用

《Journal of Alloys and Compounds》：Thermal memory effect in NiFeGa and NiMnGa shape memory ribbons: Toward maximum-temperature recording applications

研究扩展了基于NiFeGa和NiMnGa合金的热记忆效应（TME），通过成分调控和热处理（熔体快速凝固制备带材）将相变温度范围从室温扩展至0°C至120°C以上。实验证实这些合金可记录单次或多次温度（需按递减顺序），并展现“锤效应”（重复停温增强记忆）。通过对比不同扫描速率和 dwell时间的DSC信号，发现温度读数与停温温度存在0-4°C偏差，需校准。该效应为开发低成本、微型化最大温度计提供了材料基础。

　　在材料科学领域，某些合金不仅能够记忆形状，还展现出一种称为“热记忆效应”的独特特性。这种效应指的是，合金在经历加热过程时，如果在相变温度范围内停留于某一特定温度，那么即使后续冷却至低温并再次加热至完全相变状态，仍能通过相变热流信号中观察到一个特征性的凹陷，以此来识别该合金曾经达到的最高温度。这一现象使得这些材料具备了记录温度信息的能力，它们可以被视为一种温度传感器，即“最大温度计”。本文重点研究了多种具有Heusler结构的形状记忆合金，包括以NiFeGa为基础并添加了Co、Al、Gd、Nd等元素的合金，以及NiMnGa合金。这些合金通过快速凝固技术制备，使得其在特定温度范围内具有热记忆效应。研究发现，通过改变合金成分和热处理工艺，可以有效地调整其相变温度范围，从而拓宽温度记忆的适用范围。

为了验证热记忆效应，实验中对样品进行了差示扫描量热法（DSC）测量。DSC是一种能够精确记录材料在温度变化过程中热流变化的技术，非常适合用于研究热记忆效应。实验结果显示，无论样品的初始状态如何，只要其处于马氏体相，随后加热至相变范围内的某一温度（即“记忆温度”），再冷却至马氏体相并再次加热至完全奥氏体相，就能在DSC信号中观察到与记忆温度相关的凹陷。这一现象表明，合金在经历不完全相变时，其内部结构（如马氏体板的分布）被改变，从而记录了温度信息。

研究还发现，热记忆效应不仅限于单个温度的记录，还可以记忆多个温度，但这些温度必须按照从高到低的顺序记录。如果温度记录的顺序被打乱，只有较高的温度会被保留。这一特性使得这些合金在实际应用中展现出更大的潜力。例如，在某些情况下，如果一个温度高于之前记录的温度，那么该合金将无法保留之前的记忆，而只能记录新的温度。这种特性与传统温度计有所不同，为新型温度记录装置的设计提供了新思路。

此外，研究还探讨了热记忆效应的增强现象，即所谓的“锤击效应”。当在相同的记忆温度上重复进行热记忆操作时，热流信号中的凹陷幅度会增强。这一现象表明，合金的热记忆效应可以通过多次记忆同一温度来增强，从而提高其记录温度的灵敏度。实验中还分析了不同扫描速率对热记忆效应的影响。例如，当扫描速率较低时，DSC信号的凹陷更加明显，而当扫描速率较高时，虽然凹陷更清晰，但其精确度可能受到影响。因此，在实际应用中，需要根据具体需求选择合适的扫描速率。

在实验过程中，研究者还观察到，不同合金成分对热记忆效应的影响各异。例如，添加Co和Al的合金表现出较高的马氏体相变温度，而添加Gd和Nd的合金则在较低的温度范围内表现出热记忆效应。这些发现不仅有助于理解热记忆效应的机理，也为设计适用于不同温度范围的热记忆材料提供了理论依据。通过调整合金成分和热处理工艺，可以有效地控制其热记忆范围，从而实现更广泛的温度记录功能。

在实际应用方面，这些合金具有显著的潜力。由于它们的热记忆效应可以记录温度历史，因此可以用于多种场景，如食品储存与运输、医疗设备的温度监控、工业过程中的温度检测等。尤其是在需要被动式、小型化和高可靠性的温度记录装置时，这些合金表现出明显的优势。例如，在冷链运输中，这些合金可以记录温度变化的历史，从而帮助判断是否有异常情况发生。此外，它们还可以用于电子设备和电池的过热检测，提供一种简单、可靠的温度监测手段。

从材料制备的角度来看，快速凝固技术是研究这些合金热记忆效应的重要手段。通过快速冷却，合金的结构可以被有效地调控，从而实现更宽的温度记忆范围。此外，研究还发现，热处理对合金的热记忆效应具有重要影响。通过不同的热处理条件，可以调整合金的相变温度，进而影响其热记忆范围。例如，某些热处理方法可以将合金的相变温度范围扩展到0°C以上，从而实现对更高温度的记录。

本文还讨论了热记忆效应的校准问题。由于热记忆效应中记录的温度与实际读取的温度之间存在一定的偏差（即ΔT），因此需要对这些材料进行校准，以确保其在实际应用中的准确性。校准过程中，研究者发现，对于大多数合金，ΔT通常在1°C以内，但在某些情况下，尤其是当DSC扫描速度较快或在记忆温度上停留时间较长时，ΔT可能会超过3°C。因此，在需要高精度测量的应用中，必须对这些合金进行详细的校准分析。

总之，本文的研究表明，某些形状记忆合金不仅能够记忆形状，还能够记录温度信息，这一特性为新型温度记录装置的设计和应用提供了新的可能性。通过调整合金成分和热处理工艺，可以有效地控制其热记忆范围，从而实现更广泛的温度记录功能。这些合金在实际应用中展现出良好的性能，具有重要的研究价值和应用前景。未来的研究可以进一步探索这些合金在不同温度范围内的热记忆效应，并开发更高效的校准方法，以确保其在实际应用中的准确性和可靠性。