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打结形状记忆合金纤维抑制裂纹扩展的实验研究

刘秦智  
【摘要】: 形状记忆合金具有独特的形状记忆效应和超弹性,这些不同于传统功能材料的特性使其对外部环境具有感知功能,对系统具有驱动功能。因而形状记忆合金受到材料科学和工程界的普遍重视,其应用范围已经涉及航天、航空、机械、电子、交通、建筑等领域,具有广阔的应用前景。近年来利用形状记忆合金的形状记忆效应和超弹性对复合材料结构中的裂纹进行主动控制和修复是复合材料研究中的热点。 在使用形状记忆合金纤维主动控制裂纹时,纤维脱胶问题是一个关键问题,在目前文献中尚未得到解决。本文提出,将纤维打结后复合在基体中,克服纤维的脱胶,使纤维的形状记忆效应得到充分的发挥,从而有效的控制裂纹。 本文采用“控制变量”的方法,保证实验制作的带裂纹环氧树脂基体各个参数一致,将形状记忆合金纤维按打结与不打结两种方式复合在基体中,比较这两种方式对基体的作用。本文测定了形状记忆合金纤维力学各项力学性能,预拉伸纤维产生6%残余应变。设计出复合SMA纤维的带裂纹试件的一套规范制作方法,制作的试件可以明显观察到SMA纤维抑制裂纹扩展的现象。本文将打结与不打结纤维试件,加热到65℃,进行比较拉伸实验,实验效果明显。 大量实验表明,打结纤维可以有效避免纤维在试件中的脱胶,从而可以将纤维回复力加到试件上去;而不打结直纤维脱胶明显,曲线呈“锯齿状”,无法将回复力全部加上去。基体、不打结纤维试件、打结纤维试件三种试件可承受拉伸载荷梯次分明,打结比不打结试件最大载荷平均提高了73.7%,断面应力平均提高了80.7%,有力地说明了打结比不打结方式可以更加有效的提高试件承载能力。实验段纤维的体积分数为0.33%,体积分数非常小,但是通过打结这一方式,可以将形状记忆合金纤维回复力几乎全部加到试件上去,有效的抑制裂纹扩展,大大提高试件承载能力,是非常高效的驱动器。因此,打结纤维可以高效地发挥形状记忆合金功能,应该得到广泛应用。


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