SMA/树脂界面粘结性能与金属界面摩擦性能研究

摘要

界面指的是不同相材料之间的分界面，根据界面处不同的运动形式，可以将界面分为两类，第一类界面为相互粘结界面，在界面处不同相材料之间不存在相对位移。第一类界面通常存在于复合材料之间，对于第一类界面，通常希望其具有更好的粘结性能，避免界面处过早破坏从而对整体性能造成影响。第二类界面为相对运动两相之间的摩擦界面，对于摩擦界面，通常希望其具有较低的摩擦系数以及磨损率，从而确保材料具有更长的使用寿命。本文对这两种不同类型界面的性能进行了较为系统的研究。
　　首先，针对第一类界面问题，本文对形状记忆合金复合材料的界面问题进行了研究。形状记忆合金（shape memory alloy，SMA）指的是具有形状记忆效应，在特定条件下可实现变形回复的金属材料。本文采用的Ni-Ti形状记忆合金同时还具有超弹性，伪弹性以及高阻尼等特性。作为一种具有优良性能的金属材料，Ni-Ti形状记忆合金与其他材料混合从而制备成为复合材料。然而研究发现Ni-Ti形状记忆合金与树脂基体之间弱粘结性能会降低复合材料的性能。因此针对这一问题，提出了一种新的采用硅烷偶联剂KH550与Al2O3纳米颗粒对Ni-Ti形状记忆合金进行改性处理的方法，通过单纤维拔出实验对采用新方法处理后的Ni-Ti形状记忆合金/树脂之间的界面粘结性能进行了研究。
　　其次，制备了SMA/玻璃纤维/树脂混杂复合材料层合板以及SMA/玄武岩纤维/树脂混杂复合材料层合板试样，其中的形状记忆合金采用了不同的改性处理，以研究SMA/树脂界面性能对复合材料整体性能的影响。文中利用扫描电子显微镜(scanning electron microscope，SEM)观察了形状记忆合金/玻璃纤维/树脂基体之间的相对位置关系，采用准静态单向拉伸、三点弯曲以及低速冲击实验对SMA/玻璃纤维/树脂混杂复合材料以及SMA/玄武岩纤维/树脂混杂复合材料的力学性能进行了研究，并且利用SEM对破坏后试样的形态进行了观察。
　　然后，针对第二类界面问题，本文中对金属材料摩擦界面处摩擦引起的转化结构(tribologically transformed structure，TTS)层性能改变对磨损性能的影响进行了研究。在金属的摩擦磨损过程当中，摩擦界面的形态以及性能均会出现明显改变，从而对摩擦行为造成影响。本文采用氧化铝陶瓷球对316不锈钢，纯铜以及Ti6A14V这三种金属材料进行微动摩擦从而得到磨痕表面的TTS层。在得到TTS层之后，采用纳米压痕的方法对三种金属材料基体以及磨痕表面的硬度进行测量，从而得到材料磨痕表面TTS层在微动摩擦过程中力学性能的变化。然后利用聚焦离子束(Focused Ion beam，FIB)对摩擦表面磨痕进行切割和抛光，并使用SEM对磨痕表面以及横截面进行观察，从而得到三种金属材料摩擦引起的TTS层的微观形态。在这之后，为了在磨损模型中考虑表面性能改变对磨损性能的影响，本文对经典Archard磨损模型进行了改进，用TTS层表面硬度代替基体表面硬度，从而获得更好的磨损预测结果。
　　针对轻质合金抗磨损性能较差的问题，本文在铝合金表面涂覆了一种新型的等离子体电解氧化(Plasma electrolytic oxidation，PEO)/Chameleon复合涂层并且对其在不同环境中的微动摩擦性能进行了研究。实验室环境（湿度40％-55％）、干燥氮气环境、干燥氮气—实验室环境交替变化以及油基润滑下不同的摩擦与磨损性能，并且选用了钢球和氧化铝陶瓷球作为与涂层接触的物体，以研究不同接触材料对PEO/Chameleon涂层性能的影响。此外，本文采用大荷载小振幅的微动摩擦实验研究了涂层性能对微动摩擦滑移状态的影响以及通过长周期微动摩擦实验研究了涂层的微动摩擦寿命，从而对涂层在微动摩擦下的性能有了更全面深入的了解。
　　本文以材料界面性能为中心，对两类界面问题进行了研究。针对第一类界面问题，本文研究了形状记忆合金复合材料中界面改性对复合材料力学性能的影响;针对第二类界面问题，本文研究了金属摩擦界面摩擦引起的结构转变成结构(TTS)层对金属材料摩擦性能以及磨损性能的影响。通过对这两类界面问题的研究，得到了界面性能在静态过程以及动态过程中对材料性能的影响。