一种新型栅格状结构的形状记忆合金复合材料

2016-07-11 21:54 来源:钢联资讯 作者:钢研

形状记忆合金以其独特的形状记忆和超弹性效应在航空领域得到重要应用。将形状记忆合金与复合材料集成形成一种可弯曲变形的智能复合材料已成为变体机翼研究的热点。变体机翼综合了不同飞行条件下的翼型,通过翼型的变化改变气动性能,提高飞行性能和任务执行效率,且在减轻质量、降噪、降低能耗方面具有优势。变体机翼的这些特点是传统结构材料所难以胜任的,需要采用智能材料。现有的形状记忆合金复合材料,是将形状记忆合金丝以偏心的方式镶嵌在复合材料铺层中,形成整体薄板状结构。在电流激励下形状记忆合金丝受热收缩,驱动复合材料基体弯曲实现机翼的变形。然而实际制备的过程中,界面处不可避免会引入气泡等缺陷,成为驱动过程中材料失效的裂纹源。南京航空航天大学研制了一种新型栅格状结构的形状记忆复合材料,在克服上述问题方面取得了良好效果。

该形状记忆复合材料由四层玻璃纤维/环氧树脂及一层经过预拉伸的形状记忆丝构成,铺贴顺序为45°/形状记忆合金/-45°/45°/-45°。四层玻璃纤维包括一层整体玻璃纤维和三层栅格状玻璃纤维,9根直径为0.5mm的形状记忆合金丝以0°铺贴在玻璃纤维的45°/-45°层间,即在第一层整体玻璃纤维与第二层的栅格玻璃纤维之间,形状记忆丝的间距为10mm。形状记忆丝为直径0.5mm的Ni50.1-Ti(原子数分数)合金。形状记忆丝要经过预处理:首先进行去应力退火以去除形状记忆丝在拉拔过程中产生的内应力,提高其塑性,退火温度为500℃,时间为30min;接着将形状记忆丝进行冷热循环处理,以稳定性能,提高抗疲劳性能,其工艺为在开水中浸泡5min,取出再放入0℃的冰水混合物中浸泡5min,重复该过程100次以上;其次将处理好的形状记忆丝进行预拉伸,预拉伸应变为4%。采用真空负压成型,内部负压为0.1MPa,然后将其放置在30℃的环境中固化24h。检测表明,试样中形状记忆丝与基体材料的界面结合比较致密,没有产生气泡等缺陷。驱动弯曲后形状记忆丝与基体材料的界面处结合仍与初始状态相同,未产生开裂等缺陷,说明真空负压成型法在解决气孔、开裂等缺陷问题上是有效的。

由这种工艺方法制备的形状记忆复合材料,由于所设计的特殊栅格状结构形式,使得复合材料基体刚度减弱,因而形状记忆丝在收缩时所需克服的阻力大大降低;另外,栅格状结构中的形状记忆丝只有部分被约束在基体材料中,而整体结构的形状记忆复合材料中形状记忆丝全部被约束在基体材料中,因此形状记忆丝所受约束力比整体结构的小,用来驱动复合材料的作用力变大,从而提高驱动力效率。检测表明,栅格状形状记忆复合材料的最大挠度值是整体结构的4倍,且响应更快,达到最大值的响应时间仅为整体结构的四分之三。(钢研)




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