基于金属丝编织工艺的形状记忆合金点阵材料制备及关键力学问题研究

Recently, the research interest of lattice materials has changed from developing lightweight, high specific strength, and stiffness materials to multi-functional materials. If the shape memory alloys are used as matrix materials in lattice materials, thanks to the unique shape memory effect and superelasticity of SMAs, a new kind of lattice materials with the advantages of large deformation capacity, high damping, and active morphing can be developed. Consequently, based on wire-woven technology and shape setting process of shape memory alloy, the shape memory alloy lattice material is fabricated. Quasi-static, dynamic and fatigue tests of the material are also performed, the results reveal the stress-strain-temperature response of the material, the energy absorption mechanism, the functional degradation mechanism and failure mode. Moreover, an analytical model of the shape memory alloy lattice material is derived based on the simplified mechanical model of the lattice element, and the simplified shape memory alloy constitutive model. The implementation of this project can provide new technical approaches for the development of multi-function lattice materials, and expand its application in the engineering.

近年来，点阵材料的研究从单一追求材料的轻质、高比强度、高比刚度向追求材料多功能化转变。若采用具有超弹性和形状记忆效应的形状记忆合金作为多功能点阵材料的母体材料，可以研制出具备大变形、高阻尼、主动变形等功能的新型点阵材料。基于此，申请人基于金属丝编织工艺和形状记忆合金热处理定形技术，发展形状记忆合金点阵材料制备工艺，开展准静态、动态和疲劳试验研究，揭示材料的应力-应变-温度响应规律、能量吸收机制、功能衰减机制及破坏模式，在此基础上结合点阵单元简化力学模型、形状记忆合金简化本构模型，建立并验证形状记忆合金点阵材料解析模型。本项目的实施可为多功能点阵材料的研制提供新的技术途径，拓展其在工程领域中的应用。

超弹性形状记忆合金具有良好的抗大变形及阻尼性能，为多功能点阵材料的开发提供了新的技术途径。本项目围绕发展新型超弹性形状记忆合金点阵材料的目标，从制备工艺、力学性能实验，解析模型分析等三个方面开展了研究，重要研究结果如下：.1）基于金属丝编织工艺及形状记忆合金热处理定型技术，提出了螺旋型Kagome形状记忆合金点阵结构的制备方法，开展了材料性能测试、热处理工艺设计、编织方案设计、机械连接方案设计等工作，所提出的制备工艺操作简便，连接可靠，具有较高可行性。.2）以螺旋Kagome超弹性点阵材料为研究对象，开展了准静态、动态以及疲劳试验研究，揭示了点阵材料应力-应变-温度响应规律、能量吸收机制、功能衰减规律，试验结果表明所设计的点阵材料质量轻、比强度高，阻尼性能良好，能承受超过自身80%的变形后完全恢复原状。.3）建立了点阵材料代表性结构单元的解析力学模型及有限元计算模型，采用能量法对其变形行为进行分析，推导了点阵材料刚度与形状记忆合金丝径、弹性模量和结构尺寸的关系，并将模型计算结果与实验结果进行了对比，验证了解析模型描述的准确性。