NiTi合金材料力学性能的测试与分析

采用一种新型的形状记忆合金（SMA）性能综合测试系统，对TiNi合金丝相变过程中的有关力学性能和电学性能进行测试与分析，得到其自由状态下的相变温度，约束状态下回复力随温度增加的曲线及其超弹性迟滞回线。为智能结构中SMA元件的设计提供参考和依据。     

形状记忆合金的宏观力学本构模型

结合作者提出的形状记忆因子的概念,阐述了形状记忆合金（SMA）超弹性和形状记忆效应的微观机理,将SMA的超弹性和形状记忆效应统一归结为形状记忆效应.重新定义了形状记忆因子,并明确了其物理意义.利用SMA在相变过程中马氏体体积分数和相变自由能间的微分关系,建立了描述SMA相变行为的形状记忆演化方程.该形状记忆演化方程能同时考虑相变峰值温度、相变开始和结束温度对SMA相变行为的影响,并能描述SMA从孪晶马氏体向非孪晶马氏体的转变过程,克服了现存SMA相变方程或形状记忆方程的局限性,能更全面准确地描述SMA的相变行为.从宏观力学角度,建立了能全面描述SMA实现形状记忆效应的热力学本构方程,在假设SMA为各向同性材料的基础上,将该本构方程从一维推广到三维.该本构方程中的所有材料参数都可以通过宏观实验测定,比现存三维本构方程更便于工程实际应用.     

考虑温度记忆效应的形状记忆合金本构模型

近年来在形状记忆合金（Shape Memory Alloy,SMA）中发现的由于不完全马氏体逆相变引起的温度记忆效应,在智能材料与结构等领域具有潜在的应用价值,建立克服现存SMA本构模型不能考虑SMA温度记忆效应这一局限性的SMA本构模型具有理论和工程实际意义．本文在前期研究的基础上,基于作者提出的形状记忆因子的概念,综合运用热力学、连续介质力学和马氏体相变学的相关理论,建立了描述SMA的形状记忆因子、应力、温度间关系的形状记忆方程和描述SMA的应变、应力、温度间关系的力学本构方程．由形状记忆方程和力学本构方程构成的SMA本构模型,克服了现存SMA本构模型不能考虑SMA温度记忆效应的局限性．数值结果表明,该SMA本构模型能有效描述经历不完全马氏体逆相变的SMA的热力学行为,可为SMA温度记忆效应的应用研究提供理论基础．     

非对称铺设SMA层的复合材料梁在热荷载作用下的变形分析

基于几何非线性理论,提出一类偏心铺设的形状记忆合金(SMA)复合材料梁的数学模型,建立梁在温度载荷作用下的非线性弯曲控制方程,应用打靶法进行数值求解,得到均匀加热下两端不可移简支SMA层合梁的热弯曲数值解.给出具体算例的平衡构形和平衡路径,并分析和讨论SMA的几何和物理参数对梁变形的影响.结果表明梁在升温的一开始就发生变形,升温过程中随着SMA的相变,变形趋势加剧,通过改变SMA的几何、物理参数可以调整梁的变形.     

SMA抗车辙性能影响因素的试验分析

为分析沥青用量、压实功、级配类型及温度4种影响因素对沥青玛蹄脂碎石混合料(SMA)抗车辙性能的影响,采用马歇尔试验和车辙试验相结合的方法,完成了在这4种影响因素下SMA抗车辙性能的试验研究,在试验中着重分析了不同影响因素对SMA的动稳定度和相对变形量的影响.结果表明:马歇尔试验和车辙试验确定出的最佳沥青用量不一致,两者相差0.1％;压实功、级配类型及温度对SMA的抗车辙性能有显著影响,压实功过大或过小均可致使SMA的抗车辙性能降低,施工中应严格控制沥青路面的碾压遍数,适当增加SMA中粗集料含量,减少细集料用量能够显著改善其抗车辙性能;试验温度每升高5℃,SMA的动稳定度平均降低幅度为18.6％.     

粘贴形状记忆合金丝的复合树脂板振动分析

在复合结构中粘贴形状记忆合金(shape memory alloy,SMA)丝,利用其受限回复时产生较大回复应力和其弹性模量随温度变化的特性,实现对结构变形和振动响应的主动控制.基于Liang模型并取其相变系数Ω=-700 MPa,求出受限约束下的回复应力与弹性模量.根据应力应变关系,把回复应力转化为回复应变.用ANSYS模拟复合薄板在两端固定条件下,加热SMA丝对其固有频率以及振动响应的影响.同时试验研究同样约束条件下,粘贴SMA丝复合薄板的固有频率随温度的变化特性,发现二者的结果很吻合,证明相关思想和技术方法是正确的.     

形状记忆合金混凝土轴心构件的变形特性

将形状记忆合金(SMA)轴心埋置于混凝土构件中,着重研究SMA使轴心构件产生预应力和变形的性能及影响驱动效果的主要因素。在试验基础上,对SMA在周围混凝土约束下的本构模型进行了理论探索。研究表明:SMA在加热逆相变过程中可以实现对混凝土轴心构件施加预应力,可以控制混凝土构件的变形;初始预应变值及通电激励模式对变形性能或预应力效果有影响。     

内嵌伪弹性形状记忆合金纤维的复合材料空心梁动态有限元分析

以内嵌伪弹性形状记忆合金(SMA)纤维的复合材料空心层合梁为研究对象,基于经典层合梁理论和有限元法,在考虑SMA的相变特性、材料非线性与基体变形相互耦合的基础上,按照虚功原理建立了SMA混杂复合材料空心层合梁的运动方程,并用Newmark积分法和牛顿迭代法对运动方程进行了数值求解,研究了SMA混杂复合材料空心层合梁的振动特性,分析了SMA对复合材料层合梁的振动抑制效果,讨论了温度、结构阻尼对空心层合梁动态响应的影响规律.结果表明:同一时刻下内嵌SMA纤维的空心层合梁自由端挠度较未嵌SMA纤维时的挠度明显降低;伪弹性SMA纤维在较高的温度下能更好地实现对层合梁的振动抑制;伪弹性SMA纤维对层合梁的振动抑制效果明显优于结构阻尼对层合梁的振动抑制效果.     

SMA预拉杆式自定心屈曲约束支撑的滞回性能分析

基于屈曲约束支撑(BRB)的流变模型和形状记忆合金(SMA)的分段线性本构模型,建立了可用于分析SMA预拉杆式自定心屈曲约束支撑(SMA-SC-BRB)滞回性能的流变模型和控制方程.然后,运用流变分析方法对一种新型的SMA-SC-BRB构件进行数值模拟,通过对比可知基于流变模型的模拟结果与文献试验结果吻合较好.最后,利用该流变模型对SMA-SC-BRB的滞回性能进行参数分析.结果表明:当初始预张力超过奥氏体相变的结束应力时,其变化对支撑的滞回性能影响较小;增加SMA杆的截面面积,能同时提高支撑的自定心效果和耗能能力;随着核心板截面面积的增加,支撑耗能能力增强,但自定心能力减弱;提高SMA杆的温度能有效提升支撑的自定心能力.     

两种相变材料储能石膏板的实验研究

分别以硬脂酸丁酯和相变石蜡为相变材料,聚乙烯醇为分散剂,石膏板为载体,通过直接加入法制备相变储能石膏板.通过差示扫描量热仪分析不同相变储能石膏板的相变温度和相变焓,研究和比较了它们与普通石膏板的隔热保温性能、耐久性能和吸水性能.相变石蜡的储能石膏板相变温度接近于夏季室内舒适温度26℃,相变硬脂酸丁酯的储能石膏板相变温度接近于冬季室内舒适温度21℃.由直接法制备的含22%相变材料的两种相变储能石膏板其储能能力是普通石膏板的10倍,耐久性能优越,吸水性能是普通石膏板的1/3,有利于高湿环境的使用.     

基于K-型热电偶与热成像仪的SMA丝温度精确测量研究

由于形状记忆合金(SMA)丝相变过程中潜热效应的影响以及环境温度、驱动参数强度的不同,传统的热电偶测温方法无法精确测量SMA丝在加热过程中的真实温度,对SMA丝的实时驱动控制造成了极大的困难。为了精确测量SMA丝的实时温度,提出了一种基于红外热像仪校准的热电偶测温方法。实验结果与理论分析吻合良好。     

新形式超弹性形状记忆合金线材力学性能试验研究

超弹性是形状记忆合金(SMA)的重要特性之一.鉴于钢绞线在力学性能上的优势,提出一种新形式的SMA线材--SMA绞线,其目的在于将其埋设到土木工程领域的混凝土构件中.通过试验,主要研究了应变幅值和加卸载循环次数对普通圆截面SMA丝材和SMA绞线的应力诱发马氏体相变应力、残余应变、最大相变应变和耗能能力的影响.研究结果表明,SMA绞线比SMA丝具有更好的力学性能.建议在工程应用中将SMA的线材形式作为一项影响其超弹性力学性能的因素.     

CFRP/SMA复合材料片材增强钢筋混凝土梁抗弯性能试验研究

为研究使用形状记忆合金(Shape Memory Alloy,SMA)将预应力引入碳纤维复合增强材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer,CFRP)中的有效性,本文在CFRP/SMA复合材料回复力试验研究的基础上,对CFRP/SMA复合材料加固梁开展了抗弯性能试验.试验梁中1根为未加固梁,1根为无预应力CFRP加固梁,5根为预应力CFRP片材加固梁.CFRP片材的预应力引入方式有两种:机械张拉和SMA丝材升温回复.试验结果表明,对于CFRP/SMA复合材料,回复应力随着温度的增加而逐渐增大,呈现出"S"形变化规律.当温度达到奥氏体相变结束温度后,回复应力趋于稳定.两类预应力CFRP加固梁的开裂、屈服和极限荷载均有显著提升.机械张拉预应力CFRP片材加固梁发生了弯曲裂缝引起的剥离破坏,CFRP/SMA复合材料加固梁发生了端部剥离破坏.在试验研究的基础上,基于IC剥离和ED剥离破坏模式,建立了预应力CFRP加固梁的抗弯承载力计算方法.计算结果表明,计算值与试验值吻合较好,可以有效地预测加固梁的抗弯承载力.     

温拌无纤维SBS改性沥青SMA混合料的高温性能

温拌无纤维SMA混合料是一种绿色环保材料。通过析漏试验和车辙试验评价了温拌无纤维SBS改性沥青SMA混合料的力学性能。结果表明,温拌剂仅降低混合料的施工温度。在较低碾压温度下,无纤维的SMA混合料不会出现泛油现象。但是,在路面使用温度下,由于未添加纤维,混合料的高温抗变形性能较差。因此,与常规热拌添加纤维的SBS改性沥青SMA混合料相比,对于温拌无纤维SBS改性沥青SMA混合料,需要降低0.3%～0.5%的沥青用量,以提高混合料的高温抗变形性能。     

超弹性形状记忆合金简化多维本构模型

建立简单有效的多维本构模型是形状记忆合金(SMA)工程应用的关键问题之一.在NiTi形状记忆合金丝拉伸实验的基础上,根据Brison模型的相变动力学方程,得出了相变应力与加载条件的关系. 借助线性化方法,建立了SMA超弹性简化一维本构模型;基于塑性理论,将马氏体体积分数作为状态变量之一,推导了SMA超弹性简化多维本构模型,应用该模型对超弹性SMA进行了数值模拟,并与实验结果进行了比较.分析结果表明:理论模型曲线与实验曲线接近,理论模型能够较为准确地模拟形状记忆合金的屈服机制和耗能能力.该本构模型可以用于模拟复杂荷载条件下的SMA超弹性特性.     

热载荷作用下非对称支承嵌入SMA丝复合材料弹性梁的横向自由振动

基于形状记忆合金Brinson一维热力学本构方程,建立了热载荷作用下嵌入SMA丝复合材料梁的一维热弹性本构关系.利用横向微幅自由振动的特征方程,求解了一端不可移简支一端固定约束条件下梁在均匀升温过程中的线性振动响应,获得了嵌入SMA丝复合材料弹性梁的前四阶固有频率随温度变化的特征关系曲线.结果表明,形状记忆合金丝相变过程中的回复应力和弹性模量的变化对梁的各阶固有频率均有影响,是实现梁自振频率主动控制的一种方法.     

癸酸-正辛酸与活性炭复合相变材料的制备

为了研究活性炭复合相变材料基本性能,以活性炭吸附相变材料(PCM)癸酸-正辛酸制得相变储能骨料(PCESA)为研究对象。采用不同粒径活性炭在不同温度下、不同吸附方式下进行吸附性能以及不同配比环氧树脂的封装试验。通过DSC测试PCM和PCESA的相变特征,用SEM图像分析吸附材料的微观结构。通过不同温度下PCM浸泡吸附率分析活性炭吸附性能,进行了超声波吸附与真空吸附方式下的PCM吸附性能试验。实验结果表明,PCM与PCESA的相变特性稳定,具有较好的热物理性能;6mm粒径的活性炭孔隙结构较完好,吸附PCM的性能较好;在30℃、40℃和50℃水浴温度下吸附率较高;真空吸附性能较其他吸附方式好;以环氧树脂、稀释剂与固化剂按质量比1∶0.15∶0.25的配比封装效果较好。     

SMA/MMT纳米复合材料中残留插层剂对其加工性能的影响

采用HAAKE转矩流变仪研究了苯乙烯-马来酸酐共聚物/蒙脱土(SMA/MMT)纳米复合材料中残留插层剂十六烷基三甲基溴化铵对其加工性能的影响.结果表明,体系中残留部分插层剂会导致SMA降解,且加工温度越高,降解程度越大,使其失去使用价值.将体系中的插层剂完全洗净后,SMA/MMT复合材料中SMA不再发生降解,复合体系具有与SMA类似的加工性能.     

Ti_(51)Pd_(30)Ni_(19)合金的相变及力学性能特征

制备了 Ti51Pd30 Ni19高温形状记忆合金 .利用高温 X射线衍射 (XRD)分析及热分析 (DSC)研究了合金的相变过程 ,并对其在不同加载条件下的力学性能进行了测试 .结果表明 ,合金的马氏体相变开始温度可达 2 1 2°C,合金在马氏体及奥氏体状态下具有不同的屈服强度及形变强化能力 .在室温下 ,合金的形状记忆性能随拉伸变形量的增大而降低 .获得了该合金的伪弹性 :在奥氏体转变结束温度附近进行拉伸循环 ,三次加载 -卸载循环后即可获得稳定的弹性滞后回线 .     

基于一维光子晶体结构的温度可控光学膜系设计

采用热致相变材料VO2作为缺陷层,ZnS与MgF2作为周期性排列材料,设计了一种基于一维光子晶体结构的温度可控的光学膜系.由于VO2具有特殊的热致相变转换特性,光子禁带中的透射峰强度会因外界环境温度的改变而改变.所设计的一维光子晶体结构光学参数通过理论计算方法进行拟合,透射谱数据可根据传输矩阵法进行计算.研究结果表明,所设计结构具有良好的光学调节性能,在常温时的透射峰强度是高温状态下的40倍,并且透射峰位置可以根据入射角度的变化进行微调.所设计的基于一维光子晶体结构温度可控光学膜系具有较高的温度透射比、透射峰位置微调以及良好的双向温度调节性能.