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用复合材料的设计思想研发恒弹性、恒刚度材料

来源:我的钢铁网|浏览:|评论:0条   [收藏] [评论]

复合材料是根据需要,采用人工的方法,将不同尺寸、不同形态(如纤维,晶须,颗粒等)的增强体加入到基体材料中制成的新型材料,它能够发挥出基体材料和增强体各自的优点而获得单一合金材料所不…

复合材料是根据需要,采用人工的方法,将不同尺寸、不同形态(如纤维,晶须,颗粒等)的增强体加入到基体材料中制成的新型材料,它能够发挥出基体材料和增强体各自的优点而获得单一合金材料所不具有的特殊性能。这种基于应用需求的性能可设计性,是复合材料的巨大优势及生命力所在。

传统的铝合金、镁合金舱体构件在飞行器高速飞行过程中,气动热的作用使构件温度升高,弹性模量随之降低,导致结构刚度下降以及谐振频率降低,影响飞行器控制精度,甚至引起危险的颤振。为避免这些现象的发生,目前的主要方法是增加构件的尺寸,但这一方法不可避免地带来结构重量的增加。由此产生了对高温下随着温度上升弹性模量不变或者上升的材料的需求。

哈尔滨工业大学材料科学与工程学院的研究者注意到TiNi形状记忆合金的超弹性特性,升温时温度诱发马氏体向奥氏体转变的同时,该合金的弹性模量发生跃升。通过调整合金中Ti和Ni元素的原子百分比可以改变引起跃升的相变温度。由此他们想到采用这种合金纤维与铝合金制成复合材料,有希望获得在高温下弹性模量不下降的恒刚度特性。他们选用马氏体逆相变的开始温度分别为15℃,85℃和114℃的TiNi50.6,TiNi50.3,TiNi50合金纤维加入到铝合金基体之中,制成了TiNi/Al复合材料。检测表明,当TiNi合金纤维体积分数达到40%~50%时,该复合材料在一定温度范围内表现出恒弹性特征。当温度处于相变温度之前时,TiNi50.3/Al和TiNi50/Al复合材料的储能模量随温度的变化趋势与基体铝合金相似,呈下降趋势;达到相变温度后,TiNi50.3和TiNi50复合材料的储能模量分别在85℃和114℃附近发生跃升,并在随后的升温过程中基本维持在同一水平,从而实现了恒弹性性能。用相变温度为15℃的TiNi50.6合金丝所制成的TiNi50.6/Al复合材料在室温至300℃测试温度范围内储能模量不变或略有提高,显示了该温度范围内的恒刚度特性。

研究证明,复合材料储能模量相对值随温度的变化与TiNi合金的相变过程密切相关。在TiNi合金相变前,不同温度复合材料的储能模量相对值符合混合定律;在TiNi合金相变后,不同温度复合材料的储能模量相对值取决于TiNi合金中马氏体和奥氏体的相对含量。针对复合材料的实际服役温度范围,可以通过选用不同相变温度的TiNi合金纤维,制备在不同温度范围内实现恒弹性的复合材料。通过对单向增强复合材料的研究结果分析,将TiNi纤维编织成布,再对铝合金进行增强,可以获得二维准各向同性的、具有恒刚度性质的复合材料及其构件,这对于一些对振动有着敏感要求的场合有重要意义。例如飞行器的精密仪器固定支架,在温度升高之后不会因模量降低而发生大的振动,从而保证仪表的精度。


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