《形狀記憶合金金屬橡膠的力學性能研究》是依託北京航空航天大學，由張大義擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：形狀記憶合金金屬橡膠的力學性能研究
- 依託單位：北京航空航天大學
- 項目負責人：張大義
- 項目類別：青年科學基金項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
形狀記憶合金在振動主動控制領域套用廣泛，但是卻面臨承載能力不足的缺陷；金屬橡膠是以普通不鏽鋼絲經特殊工藝製備的具有大承載能力的結構阻尼材料，主要用於振動被動控制。將二者相結合，發展出具有大承載能力、高阻尼特性且彈性模量主動可控的形狀記憶合金金屬橡膠(MR/SMA)，由於兼具形狀記憶合金和金屬橡膠的優點，有望成為振動主動控制領域的一種理想材料。本項目通過研究成型工藝和熱處理方法，製備具有穩定結構的MR/SMA，解決溫度升高時的結構失穩問題；通過試驗研究，確定其在一定溫度載荷和機械載荷下的剛度、阻尼等力學性能，以及關鍵參數對其剛度、阻尼特性的影響規律；基於熱力學理論，建立可以考慮關鍵影響參數的MR/SMA力學模型和數值求解方法。研究成果可為MR/SMA構件的結構設計和工藝製備提供指導，為MR/SMA在振動控制領域的套用提供基礎。
結題摘要
本項目解決了記憶合金金屬橡膠（SMAMR）製備工藝和力學理論模型等關鍵科學問題，提出並成功研製了一種高承載能力（屈服極限達100MPa；剛度可設計至5e7N/m）、大阻尼性能（損耗因子0.15~0.3）的記憶合金金屬橡膠，其剛度變化範圍達2.6倍，理論與試驗相結合研究了其力學性能的影響參數及規律，該功能性結構材料在振動主動控制方面具有可觀的套用前景。圓滿完成了項目計畫書中的全部內容，達到並超過了預期目標，發表文章16篇（均標註本基金項目資助），其中SCI文章8篇（Q1區4篇），EI文章6篇，作國際會議大會特邀報告1次，培養博士生3人。經過大量的工藝改進和試製，在反覆試驗的基礎上，最終將傳統金屬橡膠製備工藝、圓柱螺旋彈簧熱處理工藝及形狀記憶合金熱定形工藝三者相結合，突破了SMAMR高溫下結構失穩的工藝技術瓶頸，首次製備得到了具有形狀記憶效應的智慧型金屬橡膠。試驗研究表明，該智慧型金屬橡膠在馬氏體相、奧氏體相下均具有穩定的組織結構和幾何外形，克服了記憶合金形狀記憶效應對金屬橡膠成型的破壞，從而可以在寬溫域內穩定工作。依據SMAMR材料的工藝過程和細觀結構特徵，創造性地構建了可以同時對其彈性性能和耗能特性進行定量描述的“傾斜螺旋微元體+摩擦角錐”的半抽象細觀結構單元體，基於圓柱螺旋彈簧理論、庫倫摩擦模型以及記憶合金Tanaka模型，推導建立了可以準確描述壓縮受載時材料巨觀應力應變遲滯特性及其橫觀各向同性的SMAMR巨觀力學本構模型。該模型不僅全面描述了SMAMR材料巨觀熱彈性力學性能隨多種參數的變化規律，而且首次揭示了金屬橡膠熱彈性力學性能各向異性的微觀機理。對SMAMR材料製備工藝、巨觀力學性能及其參數影響規律進行了全面的試驗研究。試驗結果不僅驗證了本文研製的SMAMR材料的智慧型材料特性以及所建立的SMAMR巨觀力學本構模型的有效性和準確性，而且為SMAMR構件的推廣套用提供了必不可少的設計規範。試驗研究證明：①SMAMR材料具有良好的承載能力和阻尼性能，常規設計參數下其彈性模量範圍為5~50MPa，耗散因子為0.15~0.3；②SMAMR在奧氏體相下彈性模量為馬氏體相下的1.5~2.6倍，損耗因子則為馬氏體相下的70%左右，熱定形工藝是保證SMAMR保持穩定組織結構和力學性能的關鍵工藝步驟；③塑性預壓縮可使SMAMR獲得更大的剛度變化範圍。
