形状记忆合金复合材料层合板的力学性能研究

发布时间：2020-04-20 07:35

【摘要】：形状记忆合金作为一种智能材料,能够在外界因素(温度、电和磁等激励)的刺激下回复到原来的形状。因其特有的超弹性和形状记忆效应,受到了船舶制造业、航空航天工业、建筑工业、汽车制造业等领域的高度重视。形状记忆合金和其复合材料已被广泛的研究并投入到实际应用中。将形状记忆合金以丝、薄膜、颗粒、纤维或带的形式嵌入到基体材料中,能够改变基体材料的许多力学特性,从而实现许多材料无法实现的特殊的功能。本文主要通过真空辅助树脂注射工艺制备出形状记忆合金/玻璃纤维增强树脂基复合材料层合板,并对复合材料结构的静力学性能和动力学性能进行研究。其具体工作如下:(1)通过纤维拔出测试,分析形状记忆合金复合材料的界面性能,研究不同表面处理方法对复合材料界面性能的改善程度。通过扫描电子显微镜测试和界面力学性能分析,研究不同表面处理方法的微观形貌特征。(2)介绍了形状记忆合金几种宏观唯象本构模型,其中包括一维和多维本构模型。给出了SMA复合材料在不同条件下的本构关系。并基于Hashin渐进损伤模型和与双线性损伤演化法则来描述损伤过程,建立SMA复合材料层合板有限元模型所需的损伤模型。(3)利用真空辅助树脂注射工艺制备形状记忆合金复合材料层合板,研究SMA丝的含量和位置对玻璃纤维增强环氧树脂基(GF/环氧树脂)复合材料层合板静力学性能的影响;根据SMA丝不同嵌入量以及不同铺层方式对复合材料层合板力学性能的影响,找出SMA嵌入层合板优选位置及其最优含量。通过SMA复合材料层合板I型和II型层间断裂韧性测试以及扫描电子显微镜分析,研究界面性能对SMA复合材料层合板力学性能的影响。建立GF/环氧复合材料及SMA复合材料层合板静态力学有限元模型,对比模拟结果与实验结果,验证模型的有效性,根据有限元结果,定量阐述SMA嵌入位置与嵌入含量对复合材料力学性能的影响。(4)通过实验研究SMA复合材料层合板的疲劳性能,研究了SMA嵌入层板含量及位置对其层合板疲劳性能的影响。在相同的应力水平作用下,利用三种疲劳参数去衡量SMA复合材料层合板的疲劳性能。研究结果表明,双SMA丝的GF/环氧复合材料的疲劳寿命是普通GF/环氧复合材料的约两倍。SMA变形可以抑制基体的裂纹产生并降低已有裂纹的生长速率,这有助于提高含有SMA的GF/环氧复合材料的疲劳寿命。复合材料的疲劳失效模式类似于静态负载的疲劳失效模式。(5)实验研究了形状记忆合金复合材料的温度变化对冲击响应的影响。随着温度的降低,两种复合材料层合板的低速冲击性能都有所改善。在温度范围为-50?25℃,形状记忆合金复合材料的影响行为明显高于GF/环氧复合材料。GF/环氧树脂和SMA复合材料试样的最大接触力随着温度的升高而降低,最大接触力随着冲击能量的增加而增加。(6)采用有限元方法对冲击载荷作用下形状记忆合金复合材料层合板的响应过程进行模拟,选择玻璃纤维单向和形状记忆合金/玻璃纤维/树脂基复合材料作为模型系统。建立形状记忆合金复合材料层合板冲击损伤模型,分析复合材料层合板的冲击损伤机理,将数值结果与实验结果进行了对比。通过有限元方法找出形状记忆合金复合材料冲击损伤临界能量值。
【图文】：

民用飞机,占比,复合材料

(a) 美国波音公司的波音787 (b) 欧洲空客公司的A350图1.1 民用飞机中复合材料使用所占比重Fig.1.1 The proportion of composite materials used in civil aircraft在过去几十年中，由于纤维增强复合材料（Fiber reinforced composites, FRCs）具有高的强度重量比，高耐腐蚀性和良好的耐久性，因此人们对其在结构应用中的使用非常感兴趣[10]。纤维增强复合材料（FRCs）已被广泛用作建筑材料，甚至已经被广泛用作某些飞机和机动车辆的主要结构。为了为给定的工程应用选择适当的材料系统，设计人员必须考虑材料在静态和动态条件下的机械性能以及预期的恶劣操作环境下的性能。常规类型的 FRCs 通常可以通过改变纤维的取向和层数以及纤维的类型来满足一些要求[11-13]。在当前市场上，有大量的单片或复合材料被选择用于不同的特定应用。

相和,晶体结构,马氏体

第 1 章绪论]。SMAs 可以在两个不同阶段中存在三个不同晶体结构（即孪氏体）和六种转变的可能[63-64]，如图 1.2。在高温下奥氏体组织稳定。当 SMA 被加热时，，它开始从马氏体转变成奥氏s）是这种相变开始的温度，奥氏体完成温度（Af）是该A 加热温度超过 As，它开始收缩并转变成奥氏体结构，即换甚至在高施加载荷下也是可行的，能够导致高致动能量马氏体起始温度(Ms)时，相变转换开始恢复到马氏体并且 Mf时相变完成。马氏体不能再受应力诱导的最高温度称为MA与任何普通金属材料一样永久变形[66]。这些形状变化效超弹性），可以分为三种形状记忆特性：单程记忆效应、应。
【学位授予单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG139.6;TB33

【相似文献】