TiNi形状记忆合金丝/AI基复合材料中TiNi合金约束态相变的研究

【摘要】： 智能材料系统是八十年代末期提出的一个概念，此概念一经提出，立即 引起了人们的浓厚兴趣。经过十多年的发展，智能材料系统的研究得到了较 大的进步，并且形成了一个多学科交叉的全新的研究领域。形状记忆合金 （SMAs）是智能材料系统中最重要的组元之一，具有感知驱动双重功能，可以 用作传感器感知周围环境中应力、温度、电场、磁场等的变化，也可以用作 驱动器改变智能材料系统的形状、位置、应变、刚度、自然频率和阻尼等性 能。SMAs还可以很容易地制成带状、颗粒和丝，并复合到其他材料中形成 复合材料。SMAs复合材料的研究属于材料系统智能化的基础研究之一。 以往的工作中多以高分子材料作为机敏复合材料的基体，以金属为基体 的研究起步较晚，而且目前金属基复合材料尚未具有基本的机敏行为，这是 由于金属基机敏复合材料的研究中涉及到了几个关键的问题难以解决： 1）NiTi合金与金属基体间绝缘膜的制备。 2）复合材料的界面控制。 3）复合材料中NiTi合金丝的约束相变特性。 本文用热压法制备了TiNi丝/Al基复合材料，并采用DSC、SEM、 XRD、膨胀应变测量、划痕法对复合材料中TiNi合金的约束态相变进行了系 统研究，其中的创新性工作及有关重要结论总结如下： 研究了预应变对TiNi合金丝逆马氏体相变的影响，结果表明，TiNi合金 逆马氏体相变温度A_s和A_f随着预应变的增大而升高，而（A_f—A_s）随着预应变 的增大而降低，当预应变超过7％左右时（A_f—A_s）达到最小值，预应变继续增 大时（A_f—A_s）保持最小值不变。逆相变热焓随着预应变的增大而升高，当预应 变为7％左右时达到最大值，然后随着预应变的进一步增大而降低。相变温度 的升高，（A_f—A_s）的降低和相变热焓的升高都与弹性能在预应变过程中的释放 有密切关系，而弹性能的释放是预应变引起的马氏体变体再取向的结果。 研究了预应变后TiNi丝/铝基复合材料在加热时TiNi合金丝的相变特 征，结果表明：TiNi合金丝在不同相组成状态下预应变，其相变特征有很大 不同。若TiNi合金处于马氏体状态时预应变，则DSC加热曲线上出现一个 摘要 吸热峰，其面积随着预应变的增大而减小，其开始结束温度随着预应变的增 大而升高。若TINi合金处于母相状态时预应变，则DSC加热曲线上也只出 现一个吸热峰，其面积随着预应变的增大而减小，但其开始结束温度不受预 应变的影响，且与未预应变试样的开始结束温度基本相同。若预应变时TINi ＋ 合金中同时有母相和马氏体相，则DSC加热曲线上同时出现两个峰，每个峰 的面积均随预应变的增大而减小，其中一个峰的开始结束温度随预应变增大 而升高，另一个峰的开始结束温度不受预应变影响。本文提出了马氏体自拉 伸过程及马氏体变形度的概念。 研究了热循环对预应变后TINi合金丝／铝基复合材料在加热时TINi合 金丝相变特征的影响，结果表明，与未预应变样品相比，预应变样品的马氏 体逆转变开始温度在第一次加热过程中明显升高；在第二次加热过程中，马 氏体逆转变开始温度降低，与未预应变样品基本相同。随热循环次数继续增 加，马氏体逆转变开始温度略有降低，当热循环次数超过30次后，马氏体逆 转变开始温度几乎保持稳定。在最初的几次循环中相变热烩随着循环次数的 增加而迅速增大。在随后的循环中相变热烙的增大趋势变缓，当循环超过30 次后相变热焰基本不再随着循环次数的增加而增大。 以工程应用为目的，对TINirAI基复合材料进行了模型处理。基于马氏体 体积分数对温度偏微分与自由能差对温度偏微分呈线性关系的事实，通过对 实验曲线的模拟，提出一种新的马氏体相变动力学公式。从修正的克劳修斯 一克拉琅龙方程出发，建立了TINi形状记忆合金的回复力和温度的关系，可 以在较大预应变条件厂使用，适合于工程应用。利用1”anaka模型以及在Tanaka 模型基础上所建立的复合材料的模型，分析了TINi合金丝／AI基复合材料的 热收缩应变，以及复合材料中TINi合金丝发生逆相变过程中马氏体分数与温 度的关系，结果表明马氏体分数与温度之间的关系并非近似线性，而是随着 预应变的小同、加热冷却过程的不同而变化的，在具体的使用时应根据不同 的情况具体分析。 探索研究了水热法原位制备TINi合金表面绝缘膜，结果表明：薄膜的生 长与 Ti金属元素和 O元素在 TINi合金中的扩散密切相关。薄膜的最大击穿 电压可达80V。