NiTi―Al復(fù)合材料膨脹系數(shù)的理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

1、NiTi-AI復(fù)合材料膨脹系數(shù)的理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證摘 要：文章從理論和實(shí)驗(yàn)兩方面著手探討了 NiTi-AI 復(fù)合材料的單向膨脹系數(shù)的變化，研究了 NiTi-A1復(fù)合材料 單向膨脹系數(shù)隨N訂i合金體積分?jǐn)?shù)的變化規(guī)律，可作為制 造微小膨脹或零膨脹材料的理論依據(jù)。關(guān)鍵詞：金屬?gòu)?fù)合材料；膨脹系數(shù)；N訂i合金1細(xì)觀力學(xué)方法N訂i-A1金屬基復(fù)合材料中N訂i合金纖維和Al基體 為機(jī)械結(jié)合，機(jī)械結(jié)合是依靠A1基體和NiTi纖維之間摩擦 力而完成，因此具有這類(lèi)結(jié)合類(lèi)型的金屬基復(fù)合材料的力學(xué) 性能差。若承受垂直于纖維方向的載荷，NiTi/Al界面很容 易松開(kāi)而導(dǎo)致金屬基復(fù)合材料失效。因此，NiTi/Al界面的

2、性質(zhì)決定了 NiTi-Al金屬基復(fù)合材料材料只能承受沿纖維 方向的載荷。下文將討論的是N訂i-A1金屬基復(fù)合材料的軸 向彈性模量、泊松比、抗拉剛度、屈服強(qiáng)度、膨脹系數(shù)等熱 機(jī)械性能的計(jì)算分析方法。特征單元：特征單元是一種幾何單元，使得復(fù)合材料 的力學(xué)場(chǎng)變量（包括應(yīng)力、應(yīng)變、剛度、強(qiáng)度等）相對(duì)這種 幾何單元而言是連續(xù)的。在特征體元上建立直角坐標(biāo)系（xl, x2, x3), xl沿著纖維的軸線方向稱(chēng)為單向復(fù)合材料的徑向, x2和x3則位于和纖維垂直的平面內(nèi)，稱(chēng)為單向復(fù)合材料的 橫向。用V'代表特征體元的體積，特征體元內(nèi)纖維和基體 的體積分別用Vf，和VH表示。特征體元內(nèi)求任意的應(yīng)力 和應(yīng)變

3、分量均是點(diǎn)坐標(biāo)的函數(shù)，相對(duì)特征體元取平均值后的 應(yīng)力分量為:(1)式中：V' f-NiTi纖維在特征體元內(nèi)體積分?jǐn)?shù)；V* mAl在特征體元內(nèi)體積分?jǐn)?shù)。對(duì)第i個(gè)應(yīng)變分量取平均，得到：(2)物體的體積或長(zhǎng)度隨溫度升高而增大的現(xiàn)象稱(chēng)為熱 膨脹。假設(shè)物體原來(lái)長(zhǎng)度為L(zhǎng)0,溫度升高AT后，長(zhǎng)度增加 7 al,則：(3)式中：？琢L-線膨脹系數(shù)，表征物體受熱時(shí)長(zhǎng)度增大 能力。下文釆用細(xì)觀力學(xué)的方法，結(jié)合彈性力學(xué)理論并假設(shè) 界面呈完美結(jié)合狀態(tài)來(lái)研究N訂i-Al金屬基復(fù)合材料纖維 軸向的膨脹系數(shù)。假設(shè)金屬基復(fù)合材料纖維方向膨脹系數(shù) 為？琢,A1基體的線膨脹系數(shù)為？琢m纖維的膨脹系數(shù)為？ 琢f,溫度上升？

4、駐T,基體和纖維的熱變形相等，等于金 屬基復(fù)合材料的軸向應(yīng)變。則有：基體中的熱應(yīng)力平衡：由上面推導(dǎo)可見(jiàn)金屬基復(fù)合材料的膨脹系數(shù)與NiTi 合金和A1基體的膨脹系數(shù)及體積分?jǐn)?shù)有關(guān)，下文將進(jìn)行實(shí) 驗(yàn)驗(yàn)證。2 NiTi-Al復(fù)合材料單向膨脹系數(shù)實(shí)驗(yàn)測(cè)量膨脹測(cè)試儀為湘潭湘儀儀器有限公司生產(chǎn)的PCY-G系 列膨脹測(cè)試儀器，系統(tǒng)測(cè)量誤差在土0. 1-0. 05%之內(nèi)，膨脹 值測(cè)試分辨率為lum,升溫速度0-100°C/min可調(diào)。將樣品尺寸制成長(zhǎng)50± 1mm,寬度為6. 5±0. lmmo共 有四個(gè)樣品，從1號(hào)到4號(hào)NiTi合金的體積分?jǐn)?shù)分別為0、 2.07%、3. 12%

5、和 4. 56%O3實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果與討論圖1為膨脹系數(shù)測(cè)試儀測(cè)得的線膨脹系數(shù)隨溫度的變 化曲線，隨著溫度的升高，膨脹系數(shù)漸漸趨近于一個(gè)穩(wěn)定值。 從圖中可知，NiTi-Al復(fù)合材料的單向膨脹系數(shù)隨著NiTi體 積分?jǐn)?shù)的增加而減小。N訂i合金的初始預(yù)應(yīng)變?yōu)?.5%,由 于NiTi合金的形狀記憶效應(yīng)，當(dāng)NiTi合金受熱時(shí)，初始預(yù) 應(yīng)變將回復(fù)至零，但是由于A1基體的約束，NiTi合金內(nèi)部 將產(chǎn)生較大的回復(fù)力，這部分回復(fù)力通過(guò)NiTi/Al界面?zhèn)鬟f 給A1基體，阻礙A1基體隨溫度的升髙而膨脹，這樣從整體 來(lái)看，NiTi-A1復(fù)合材料的膨脹系數(shù)比純鋁材料的膨脹系數(shù) 要小。圖1線膨脹系數(shù)測(cè)試表1列出了不同體積

6、分?jǐn)?shù)N訂i-A1復(fù)合材料在10(TC 的單向膨脹系數(shù)實(shí)驗(yàn)測(cè)試值與理論值。表1為100*時(shí)不同 NiTi合金體積分?jǐn)?shù)NITi-Al復(fù)合材料膨脹系數(shù)理論值和實(shí)驗(yàn) 值對(duì)比圖，從圖中可知，理論預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比很相近， 在N訂i體積分?jǐn)?shù)為4. 56%時(shí)，理論值與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比最大誤差 為6. 14%,這也從側(cè)面證明了用細(xì)觀力學(xué)的方法分析N訂i-Al 復(fù)合材料的熱-力學(xué)性能是較為準(zhǔn)確的。表1 10(TC時(shí)NiTi-A1膨脹系數(shù)實(shí)驗(yàn)與理論值對(duì)比文章探討了不同N訂i合金體積分?jǐn)?shù)的NiTi-A1復(fù)合 材料的單向膨脹系數(shù)的變化，特別是當(dāng)NiTi合金有預(yù)應(yīng)變 時(shí)，對(duì)NiTi-Al復(fù)合材料加熱，WTi合金回復(fù)收縮，對(duì)基體 產(chǎn)生