同濟大學&西南交大頂刊《IJP》：實現鐵磁形狀記憶合金熱膨脹性能的非接觸精準調控

一、【導讀】

在通信、電子和航空航天等精密工程領域，材料的熱膨脹是一個必須被嚴格考量并加以控制的核心因素。例如，在光纖通信中，微小的熱膨脹即可引起折射率變化進而影響數據傳輸精度。在微電子器件制造中，由于不同組件熱膨脹系數不匹配，溫度循環往往會在界面處引發極高的局部應力，最終導致鍵合失效、層間剝離甚至器件斷裂。傳統形狀記憶合金（如Ni-Ti）雖然能通過宏觀機械變形（如冷軋、拉壓）來調節馬氏體取向進而調控熱膨脹，但這些調控方法難以在復雜、微型或封閉的服役環境中應用。相比之下，非接觸調控熱膨脹可以克服上述局限，具有重要的科學和工程意義。

二、【成果掠影】

近日，同濟大學蕭遙團隊與西南交通大學于超團隊合作，在鐵磁形狀記憶合金的熱膨脹性能調控方面取得重要突破。研究團隊巧妙利用磁-熱-力多場耦合機制，成功實現了材料熱膨脹行為的精準控制。相關論文以“Tailoring the thermal expansion performance of Ni-Mn-Ga ferromagnetic shape memory alloy through magnetic field: Experiment and thermo-magneto-mechanically coupled constitutive model”為題，發表在國際塑性力學頂刊《International Journal of Plasticity》上。在本項研究中，同濟大學蕭遙特聘研究員為第一作者，團隊博士研究生耿赟暉為第二作者，西南交通大學于超教授為論文通訊作者。

原文詳情：

https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2026.104743

研究團隊提出了一種利用旋轉磁場調控5M Ni-Mn-Ga鐵磁形狀記憶合金單晶熱膨脹性能的新策略。實驗結果明確指出，僅憑1.086 T的旋轉磁場作用，即可在高達125 K的寬溫區（298 K至173 K）內，實現平均熱膨脹系數從90.5×10-6 /K到?25.8×10-6 /K的寬幅連續調控。此外，研究團隊還沿試樣縱向施加不同大小的壓應力，全面剖析了磁-力耦合調控條件下的熱膨脹演化行為，并據此構建了面向熱膨脹系數調控的三維熱-磁-力耦合本構模型。該成果從根本上擺脫了傳統接觸式調控的窘境，為高精度、可調控熱膨脹材料在復雜多場耦合環境下的工程應用提供了全新的設計方案。

圖1 基于冷軋、拉/壓以及旋轉磁場等不同調控手段實現的可調諧熱膨脹系數對比。 ? 2026 Elsevier Ltd.

三、【核心創新點】

1.揭示旋轉磁場調控熱膨脹性能的新機制

本研究打破了智能材料依賴接觸式力學加載調控熱膨脹的固有局限，首次在實驗層面證實了非接觸式磁場的調控能力。研究表明，僅需1.086 T的旋轉磁場，便能在173 K至298 K的寬溫度窗口內，驅動Ni-Mn-Ga單晶的平均熱膨脹系數完成由正值（90.5×10-6 /K）向負值（?25.8×10-6 /K）的連續轉變。

2.厘清復雜磁-力耦合邊界下熱膨脹性能的演化規律

針對實際工程應用中的復雜服役環境，本研究在純磁場調控的基礎上，探究了不同初始壓應力與彈性剛度約束對熱膨脹演化行為的影響規律。實驗結果揭示了壓應力與剛度的提升會顯著縮小熱膨脹系數的可調區間，明確了宏觀載荷對微觀磁致馬氏體變體重取向的干預機制，為后續本構建模提供了關鍵物理依據。

3.構建面向熱膨脹系數調控的三維熱-磁-力耦合本構模型

本研究基于有限變形理論和不可逆熱力學框架，建立了一個綜合涵蓋馬氏體變體重取向、磁疇壁運動及磁化矢量旋轉等復雜微觀物理機制的三維本構模型。該模型不僅精準納入了馬氏體本征的各向異性熱膨脹張量，還充分考量了退磁效應與麥克斯韋應力，為多場耦合下的熱膨脹演化行為預測提供了可靠的理論基石。

四、【數據概覽】

圖2 Ni-Mn-Ga鐵磁形狀記憶合金磁熱力耦合實驗裝置示意圖。(a) 包含12個扇形N52釹鐵硼永磁體的Halbach陣列；(b) Halbach陣列中心Ф = 20 mm的柱狀測試區域內的磁場分布；(c) 旋轉磁場下的兩種調控方法（純磁場調控與磁-力調控）；(d) 試樣夾具；(e) 實驗裝置全貌。 ? 2026 Elsevier Ltd.

圖3 不同偏置力下Ni-Mn-Ga鐵磁形狀記憶合金的溫度-熱膨脹應變曲線。? 2026 Elsevier Ltd.

圖4 不同磁場強度下Ni-Mn-Ga鐵磁形狀記憶合金的平均熱膨脹系數-旋轉角度曲線預測。 ? 2026 Elsevier Ltd.

圖5沿不同晶體取向的Ni-Mn-Ga鐵磁形狀記憶合金平均熱膨脹系數-旋轉角度曲線預測。試樣縱向分別沿：(a) [510]A取向；(b) [511]A取向；(c) [310]A取向；(d) [210]A取向；(e) [115]A取向；(f) 磁場旋轉角度為90°時，無應力狀態下馬氏體變體的體積分數。 ? 2026 Elsevier Ltd.

圖6沿不同晶體取向的Ni-Mn-Ga鐵磁形狀記憶合金平均熱膨脹系數-旋轉角度曲線預測。試樣縱向分別沿：(a) [5-10]A取向；(b) [5-11]A取向；(c) [3-10]A取向；(d) [2-10]A取向；(e) [1-15]A取向；(f) 磁場旋轉角度為90°時，無應力狀態下馬氏體變體的體積分數。 ? 2026 Elsevier Ltd.

五、【成果啟示】

本研究系統揭示了旋轉磁場及磁-力協同作用對鐵磁形狀記憶合金熱膨脹性能的內在調控機理。研究通過構建基于不可逆熱力學與有限變形理論的三維熱-磁-力耦合本構模型，定量表征了對微觀馬氏體變體演化-宏觀熱膨脹響應的映射關系，從根本上克服了傳統高度依賴宏觀力學載荷調控材料熱膨脹的局限。該工作不僅深化了對鐵磁形狀記憶合金多場耦合力學行為的科學認知，也為寬溫域、非接觸式熱膨脹可調控材料的設計開發提供了堅實的理論依據。未來，相關理論框架與主動調控策略有望服務于航空航天精密構件、深空探測裝備以及先進微電子封裝等國家重大戰略需求領域，為攻克極端變溫服役環境下的結構熱應力控制與多材料界面熱匹配難題奠定關鍵的科學基礎。

本文來自“材料科學與工程”公眾號，感謝論文作者團隊支持。

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