形状记忆合金及其增强复合材料宏观力学性能

摘要

形状记忆合金材料因其独特的形状记忆效应和良好的超弹性能，自诞生至今已被广泛应用于航空航天、交通运输、海洋结构和生物医学等领域。随着加工工艺和制备技术的发展，形状记忆合金材料被以颗粒、纤维、带和薄片等形式，植入不同种类基体材料，从而达到改进复合材料的整体强度、断裂韧性和抗冲击性能，这类材料被称之为形状记忆合金复合材料或智能复合材料，但由于材料相容性的差异，形状记忆合金纤维与基体材料界面粘结效果会影响复合材料宏观力学性能，因此本文通过理论分析、实验研究和有限元分析等方法，对形状记忆合金及其增强复合材料宏观力学性能进行了研究，重点分析了界面相对复合材料宏观力学行为的影响。相关研究内容简述如下：
　　（1）针对传统形状记忆合金（Ni-Ti合金）循环加载力学性能进行了研究，提出了形状记忆残余因子的概念，并通过单轴循环加载测试研究了超弹Ni-Ti合金纤维形状记忆残余因子的演化规律，讨论了应变速率、温度、循环次数对材料残余应变、弹性模量和相变临界应力的影响，构造了一个传统形状记忆合金一维宏观循环本构模型。
　　（2）针对磁致形状记忆合金（Ni-Mn-Ga单晶）应力-温度-磁场耦合作用下的形状记忆行为进行了研究，通过热动力学方法推导了磁致形状记忆合金一维本构方程，考虑了残余磁致形状记忆应变对变体体积分数的影响，同时讨论了温度对磁畴体积分数、晶体磁化旋转角和单晶磁化行为的影响；通过Ni-Mn-Ga单晶宏观磁致响应实验测试，研究了温度对磁致形状记忆行为的影响，数值计算结果和实验结果对比验证了本文模型的有效性。
　　（3）构造了考虑界面相影响的单根形状记忆合金纤维三相同轴圆柱拔出模型，采用应力函数法和最小余能原理对模型内部应力分布形式进行了求解，并基于断裂力学方法推导了纤维界面相能量释放率表达形式；通过单根Ni-Ti合金纤维增强环氧树脂基体拔出实验对界面临界脱粘距离进行了测定，并和本文理论结果、文献有限元计算结果进行了对比。
　　（4）基于界面应力传递理论和改进的混合定律，推导了形状记忆合金短纤维增强弹塑性基体复合材料的宏观力学本构模型及其有效模量表达形式；通过单轴拉伸实验，研究了单向随机分布 Ni-Ti合金短纤维增强树脂基复合材料宏观强度和断裂延伸率；通过理论结果、实验结果和有限元分析结果的对比，验证了本文模型的有效性。
　　（5）基于三相同轴圆柱剪切滞后模型，推导了形状记忆合金长纤维增强混杂复合材料的宏观本构模型及其有效模量表达形式，讨论了界面相厚度、纤维长细比、纤维体积分数等参数对复合材料整体力学行为的影响；采用真空辅助树脂注塑技术（VARI）制备了不同 Ni-Ti合金长纤维植入根数增强玻璃纤维/树脂基体混杂复合材料试件；通过单轴拉伸实验和电子扫描显微镜观察，研究了复合材料宏观强度、断裂延伸率和失效形貌；通过有限元方法评估了界面相对复合材料宏观力学性能的影响，并和理论结果、实验结果进行了对比分析。

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第1章绪论

1.1智能材料及智能结构研究背景

1.2形状记忆合金

1.3形状记忆合金复合材料

1.4形状记忆合金复合材料界面力学特性

1.5本文主要工作

第2章Ni-Ti形状记忆合金循环加载条件下的超弹特性

2.1概述

2.2 Ni-Ti合金循环加载力学特性

2.3一维宏观循环本构方程

2.4材料参数实验测定

2.5数值计算及结果讨论

2.6本章小结

第3章Ni-Mn-Ga单晶材料宏观本构模型及实验研究

3.1概述

3.2 Ni-Mn-Ga单晶宏观本构模型

3.3 Ni-Mn-Ga单晶磁致宏观响应数值分析

3.4 Ni-Mn-Ga单晶磁致宏观响应实验研究

3.5本章小结

第4章 形状记忆合金复合材料拔出模型界面力学特性

4.1概述

4.2三相同轴圆柱拔出模型

4.3单根SMA纤维界面脱粘拔出

4.4 SMA纤维界面脱粘临界强度测定

4.5本章小结

第5章 形状记忆合金短纤维增强复合材料宏观力学性能

5.1概述

5.2 SMAC宏观本构模型及其有效模量

5.3 SMAC宏观力学行为数值分析

5.4单向随机分布SMA短纤维增强环氧树脂实验研究

5.5基于内聚力模型SMAC宏观力学行为有限元模拟

5.6数值结果对比及分析

5.7本章小结

第6章形状记忆合金长纤维增强混杂复合材料宏观力学性能

6.1概述

6.2 SMAHCs三相本构模型及其有效模量

6.3 SMAHCs宏观力学行为数值分析

6.4单向SMA长纤维增强玻璃树脂混杂复合材料实验研究

6.5 SMAHCs复合材料有限元分析

6.6本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢

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