形状记忆合金复合材料界面力学特性

【摘要】：形状记忆合金作为一种智能材料,以其独特的形状记忆效应和超弹性效应,被广泛的应用到航空航天、土木工程、医疗等许多的工程领域之中。而将形状记忆合金以丝、带、颗粒等形态植入到基体材料中制成的形状记忆合金复合材料一直以来都是智能材料研究的热点与重点之一。形状记忆合金纤维增强的复合材料可以实现传统复合材料无法实现的许多特殊功能,因而具有广阔的应用前景。然而,形状记忆合金纤维与基体之间较弱的界面粘结强度在很大程度上限制了其发展与应用。因此,对形状记合合金复合材料的界面力学特性进行研究变得十分重要。 本文采用理论分析、有限元模拟和实验三方面结合的方法,系统深入地研究了形状记忆合金复合材料的界面力学问题。其具体工作如下： 采用应力函数法并结合最小余能原理,求解了SMA复合材料的单纤维拔出模型在受到不同热机载荷时的应力解答。然后将理论分析中用到的SMA的本构方程离散化,编制了可供大型商用有限元软件Msc.marc调用的子程序。用有限元模拟的方法分析了埋有单根预拉伸的SMA纤维的复合材料模型在温度以及外载和温度同时作用时的内应力分布情况。并将两种结果加以对比。 基于断裂力学中的能量判据,推导了单纤维形状记忆合金复合材料的能量释放率,并给出了纤维和基体之间的能量破坏准则。根据该准则得到了纤维拔出应力的表达式,具体分析了温度、纤维预应变水平、纤维埋入长度等参数对纤维拔出应力的影响。最后用有限元的方法模拟了形状记忆合金复合材料单纤维拔出的过程,其结果与理论分析的结果基本一致。 用实验的方法改善了SMA复合材料界面的粘结强度。通过对形状记忆合金丝进行不同方法的表面处理以及在环氧树脂中加入硅烷偶联剂和纳米二氧化硅的方法来改善SMA复合材料的界面粘结强度。实验结果表明,本文所采取的处理方法能够达到提高SMA复合材料的界面粘结强度的目的,尤其是HF中阳极氧化处理的方法对改善SMA复合材料界面强度的效果更佳。 研究了形状记忆合金丝的回复应力对SMA复合材料界面性能的影响。通过在环氧树脂中埋入不同预应变水平的形状记忆合金丝来考察在不同热机情况下形状记忆合金复合材料的界面力学性能,并将实验结果和本文得到的理论结果进行比较,证明了理论分析的正确性。