形状记忆合金金属橡胶的力学性能研究

形状记忆合金在振动主动控制领域应用广泛，但是却面临承载能力不足的缺陷；金属橡胶是以普通不锈钢丝经特殊工艺制备的具有大承载能力的结构阻尼材料，主要用于振动被动控制。将二者相结合，发展出具有大承载能力、高阻尼特性且弹性模量主动可控的形状记忆合金金属橡胶(MR/SMA)，由于兼具形状记忆合金和金属橡胶的优点，有望成为振动主动控制领域的一种理想材料。本项目通过研究成型工艺和热处理方法，制备具有稳定结构的MR/SMA，解决温度升高时的结构失稳问题；通过试验研究，确定其在一定温度载荷和机械载荷下的刚度、阻尼等力学性能，以及关键参数对其刚度、阻尼特性的影响规律；基于热力学理论，建立可以考虑关键影响参数的MR/SMA力学模型和数值求解方法。研究成果可为MR/SMA构件的结构设计和工艺制备提供指导，为MR/SMA在振动控制领域的应用提供基础。

本项目解决了记忆合金金属橡胶（SMAMR）制备工艺和力学理论模型等关键科学问题，提出并成功研制了一种高承载能力（屈服极限达100MPa；刚度可设计至5e7N/m）、大阻尼性能（损耗因子0.15~0.3）的记忆合金金属橡胶，其刚度变化范围达2.6倍，理论与试验相结合研究了其力学性能的影响参数及规律，该功能性结构材料在振动主动控制方面具有可观的应用前景。圆满完成了项目计划书中的全部内容，达到并超过了预期目标，发表文章16篇（均标注本基金项目资助），其中SCI文章8篇（Q1区4篇），EI文章6篇，作国际会议大会特邀报告1次，培养博士生3人。. 经过大量的工艺改进和试制，在反复试验的基础上，最终将传统金属橡胶制备工艺、圆柱螺旋弹簧热处理工艺及形状记忆合金热定形工艺三者相结合，突破了SMAMR高温下结构失稳的工艺技术瓶颈，首次制备得到了具有形状记忆效应的智能金属橡胶。试验研究表明，该智能金属橡胶在马氏体相、奥氏体相下均具有稳定的组织结构和几何外形，克服了记忆合金形状记忆效应对金属橡胶成型的破坏，从而可以在宽温域内稳定工作。. 依据SMAMR材料的工艺过程和细观结构特征，创造性地构建了可以同时对其弹性性能和耗能特性进行定量描述的“倾斜螺旋微元体+摩擦角锥”的半抽象细观结构单元体，基于圆柱螺旋弹簧理论、库伦摩擦模型以及记忆合金Tanaka模型，推导建立了可以准确描述压缩受载时材料宏观应力应变迟滞特性及其横观各向同性的SMAMR宏观力学本构模型。该模型不仅全面描述了SMAMR材料宏观热弹性力学性能随多种参数的变化规律，而且首次揭示了金属橡胶热弹性力学性能各向异性的微观机理。. 对SMAMR材料制备工艺、宏观力学性能及其参数影响规律进行了全面的试验研究。试验结果不仅验证了本文研制的SMAMR材料的智能材料特性以及所建立的SMAMR宏观力学本构模型的有效性和准确性，而且为SMAMR构件的推广应用提供了必不可少的设计规范。试验研究证明：①SMAMR材料具有良好的承载能力和阻尼性能，常规设计参数下其弹性模量范围为5~50MPa，耗散因子为0.15~0.3；②SMAMR在奥氏体相下弹性模量为马氏体相下的1.5~2.6倍，损耗因子则为马氏体相下的70%左右，热定形工艺是保证SMAMR保持稳定组织结构和力学性能的关键工艺步骤；③塑性预压缩可使SMAMR获得更大的刚度变化范围。