Ni-Mn-Ga复合材料的断裂和阻尼性能研究

本项目针对铁磁形状记忆复合材料宏观力学行为进行研究，把研究的重点放在Ni-Mn-Ga复合材料的模型建立和断裂性能及阻尼特性的理论上。首先通过在细观力学和微磁学基础上建立NiMnGa复合材料的细观力学模型。在复合材料有效参数的分析基础上，以颗粒脱粘、梯度层层间脱粘和块体复合材料断裂为焦点，结合试验研究铁磁形状记忆复合材料的破坏问题。然后再着重对Ni-Mn-Ga复合材料的阻尼特性进行研究，以物理和材料方面试验结果为基础，通过单晶颗粒复合材料阻尼层合结构研究Ni-Mn-Ga复合材料的阻尼特性。通过研究揭示机敏材料在孪晶运动中产生的磁滞应变对复合材料磁力耦合和断裂特性的影响，探索磁化-变形耦合和磁迟滞伴随的能量迁移和能量耗散对阻尼结构振动的影响。该项目的目的是通过理论研究并结合实验来建立铁磁形状记忆复合材料的力学理论，在理论上给出合理的模型、断裂判据和阻尼控制参数，为该类新型智能材料发展建立基础。

对Ni-Mn-Ga颗粒复合材料，通过理论建模、复合材料制备，试验测试、计算模拟等工作进行了研究。在细观力学方面通过采用、M-T方法、多相球、复合材料均匀化等细观力学模型结合应力分析、复模量分析和应力应变关系分析。对Ni-Mn-Ga复合材料的颗粒形状特征、内应力影响特点进行理论分析获得了Ni-Mn-Ga颗粒复合材料的刚度、阻尼特性与体积百分比、颗粒特性等组分参数的设计关系，获得了颗粒复合材料在耦合场下的应力集中结果。对阻尼层合复合材料采用功能梯度模型，进行了复合材料层合结构的振动求解获得了材料在温度、磁场等影响下振动和阻尼参数影响关系。通过调研和尝试，确定了采用球磨工艺的Ni-Mn-Ga粉粒的颗粒制备方法和环氧树脂作为基体材料的方案。制备了Ni-Mn-Ga颗粒/环氧复合材料，通过显微观测和拉伸试验表明所制备材料，具有颗粒分散性好、阻尼/刚度综合性能高的特点。分别进行了Ni-Mn-Ga颗粒复合材料试样的拉伸迟滞曲线测试、板梁振动测试和声发射试验，获得不同体积百分比下Nii-Mn-Ga复合材料的阻尼参数和刚度的试验数据。最后采用分层剪切模型和模态应变能法建立了复合材料阻尼结构的有限元分析软件，对阻尼复合材料结构开发了结构计算软件。采用商用有限元软件，对复合材料胞元体进行了应力分和阻尼阻尼相应分析，对理论模型和试验测试的结果进行了比较。结合实验观察并基于该材料在材料和物理方面的一些成果，发展了Ni-Mn-Ga复合材料的力学参数设计模型。