形状记忆合金的高阻尼机理研究

形状记忆合金中出现的弛豫型内耗峰是一种具有巨大应用潜力的高阻尼源，其产生的内在机理长期处于争议之中。本项目通过气氛处理等方法来调控改变材料缺陷状态，系统研究晶格常数、马氏体相结构、缺陷浓度、振幅等因素对Ti-Ni基合金和Ti-Pd基合金的弛豫行为的影响，以及弛豫峰峰温随Ti-Ni-Pd体系的Pd含量增加的变化规律，以期建立弛豫过程的物理模型，找出影响弛豫峰强度和温度的关键因素，为今后开发高阻尼合金提供理论及设计依据。

为了深入认识形状记忆合金中出现高阻尼弛豫峰的内在机理，本项目以Ti-Ni，Ti-Ni-Fe，Ti-Ni-Cu,Ti-Ni-Pd等体系为研究对象，对氢含量、振幅、马氏体类型、外场等因素对弛豫行为的影响规律开展了系统研究。研究结果表明，在一定范围内，形状记忆合金中的弛豫型内耗峰随着氢含量的增加而增高；测量振幅主要影响马氏体畴壁运动所产生的背底内耗，弛豫峰本身对振幅不敏感。弛豫峰在不同的合金体系出现的温度略有区别，很可能与母相的晶格常数有关系，晶格常数越大，氢原子跃迁所需的激活能越大，使得畴壁和氢的交互作用产生的弛豫峰的温度越高。本项目首次尝试了在静力拉伸条件下测试了样品的阻尼性能，发现静力场的存在对马氏体状态下的阻尼有很大影响，主要是外场改变了马氏体的畴壁密度，外场越大，畴壁密度越小，参与点缺陷和畴壁交互作用的阻尼源越少，阻尼值越小。因此，形状记忆合金中出现的弛豫峰的内在机理可以归结为畴壁运动诱发的氢原子在畴壁附近跃迁所产生的弛豫型内耗，其激活能由氢原子在不同体系的跃迁所需要的激活能所决定。研究还发现Ti-Ni-Fe等材料中存在的氢，不仅是产生弛豫峰的必要因素，还对马氏体相变温度、相变焓、屈服行为有影响。氢的存在能有效抑制马氏体相变，降低转变温度，减少相变焓，在拉伸曲线上出现明显的屈服现象。类似的点缺陷和畴壁的交互作用在钛酸钡等铁电材料和镍等铁磁材料中也有出现，初步的研究结果表明钛酸钡铁电相中出现的弛豫峰很可能与氢有关，而在铁磁材料中引入一定的点缺陷如氧原子后不仅内耗值大幅度提高，在居里点附近还出现了明显的软模现象。. 此外，本项目还探索了钛酸钡增强铝基复合材料的制备和阻尼性能，发现加入大颗粒钛酸钡颗粒后复合材料的阻尼性能并没有提高，主要归因于钛酸钡颗粒与铝之间缺乏有效的界面结合，导致外加载荷无法传递到颗粒，即钛酸钡的本征阻尼，即由畴壁和点缺陷交互作用的阻尼机制无法启动。进一步探索发现纳米尺寸的颗粒加入铝中能带来更好的阻尼效果，主要是纳米颗粒与基体之间的界面附近的位错密度增加，导致阻尼性能提高。本项目探索了纳米氧化铝和纳米碳管增强铝基复合材料的制备方法、力学性能和阻尼性能，初步研究结果表明铝中加入纳米增强体可以获得高强度、高刚度、高阻尼的结构功能一体化复合材料，此类新型材料有望在交通运输、航天航空领域得到应用。