SMA智能复合材料结构研究进展.pdf
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1、 q 9,J c f)f一 7 第 1 6巷 19 99 生 第 1期 8月 复 合 材 料 学 报 ACTA M ATERI A E COM POS1 TAE SI NI CA V o l 16 N o 1 Fe br ua r y 19 99 r 阿1,8 护 1。口 S MA 智 能 复 合 材 料 结构 研 究进 展 任勇生 _ 1-忱明 籼 靓鲫斯 J 岁 9 摘要扼要 舟 绍 近年来 S MA智 能复 台材 料 结构 的研 究进 展,着 重 总结 围绕该 智 能 结构 的本构 横型 及其在 结构 振动、噪 声与 冲击 的控 制、裂 纹诊 断与控 制 等方 面 的研 究成 果,并 指
2、 出 目前 存 在 的 问 题 和 令 后 厨、需 研 究 的 一 些 关 键 课 题。l I 关量词 智能恒台材料,S MA元件,振动、噪 爿冲击控制t 裂纹监测与控制 中 圈 分 病 丽 一一 ,厶 J 智能复合材料结构是一类集成有传感元、驱动元的主动材料系统,除了具有感知、驱动功 能外,还同时具有 自动控制 和计算学 习的功能。这种基于仿生学概念发展起来的最先进 的复合 材料,能够适时地感知和调整材料 的各种状 态,以适应 内外环境 的变化,实现 自检 测、自诊断、自调 节、自恢 复、自我保护等多种特殊功能 适合于作为驱 动元件 的智能材料包括:电流 变体,压电材料,形状 记忆 合金(S
3、 MA),磁致 伸缩体和铁电体等。适合 于传感功能 的智能材料包括:压 电材料(压 电薄膜、压电 陶瓷)光导纤 维,S MA 等。在上 述 智能 材料 中,S MA 具 有一 些 实用性 很 强 的特殊 功 能 如形 状 记忆 效应(S ME),超弹性功 能和双程 S ME。所谓 S ME是指 S MA 在 低温马 氏体相产生 的塑性 变形,在 外 载荷卸除之后,通 过加 热即可恢 复的功能。若 S MA 受到约束,_则 形状 的恢 复受 阻,材料 内部 将产生较大 的回复力。在 目前 已发现的实用性较强的少数几种 S MA中,Ni T i 由于它具 有感应灵敏度高,微应变 大,可 回复应力大
4、,能量储存 和传输 的能力 强 致动机理 简单(驱 动器 只需 S MA 单独一种 材料 设计,可拉成丝状 或纤 维状)等优点,因而有 良好的感应 和驱 动性 能,适合于成为理想 的 自感执 行元件(S e l f s e n s i n g a c t u a t o r)。S MA 智能复合 材料是将 S MA 元与基 体材 料通 过物理或 化学 的复合工艺(如浇铸,碾压,胶 合等)制备而成。其 中 S MA元件 的几何形 体包括薄膜,薄板;纤维(晶须),丝;颗 粒。基体材 料 包括各种树脂或者金属和非金属材料,也 包括功能材料,如铁 电体,铁 磁体,半导体等。还包 括各种纤维增强复合材料
5、,如石 墨 环氧层板等。常见的复合形式有:(1)将 S MA 蒙皮、薄膜或 者 S MA 丝粘贴在基体材料 的表面,(2)将 S MA 纤 维或者颗粒埋 入基体材料的 内部,(3)S MA 丝与基体结构在某 些离散点连接。S MA 智能复合材料 的应用 目前 已涉及 到机械工程、交通能源、土木工程 以及 国防工 业、空 间站技术 和航空航 天工 程等尖端科技领域,甚至也开 始 向生物 医学、仿生学、日常 民用 品等颁 收修改稿、初稿 日期:1 9 9 8 0 6 1 5,1 9 9 8 0 1 1 7。国家自然科学基盘和山西省 自然科学基金资助硬 目 维普资讯 http:/ 复音材科学报 第1
6、 5卷 域渗透。在工程结构 的动态与静态分析 方面,S MA 智能复台 材料 的研究 主要涉及 下列 内容:(1)梁、桁架、板 壳类结构 的变形控制,结 构损 伤(裂纹,脱层、应力集 中、缺 口)的 自动探 测和控 制;(2)结构振 动的主动控制,阻尼被动控制 与振动隔离;(3)结构噪声 的主动控 制;(4)复合材 料梁、板类结构的低速 冲击控制。为 了对现有 的 S MA 材料 和 S MA 智能复合 材料 的性 能进一 步改善 和扩 充 使其更具有实用性 一些 概 念新 思路 先后被提 出 例如,基 于仿生 复台材料 的 概念,利用 Ni T i 材料在生物体 中易于生物亲和,将 其埋 入
7、低 硬度 的硅基材料 中,模仿生物组织 结构-;为提 高 S MA 元 的致动 速度,提 出发展 磁 致动 或 电致 动 S MA 的先 进 复合材 料 的构 想0:。混杂智能复合材 则综合 了S MA 材料和其它不同智 能材料 在感 应和驱动方面表现 出 的优 良性能,有可 能实现宽频激扰下 的振动主动控制 的 目的 目前一种类似于 S MA 的新智 能 材料,即形状记忆塑料(S MP)也 已问世 这种材料制造成 本低、易于加工和培养记忆功能。1本构 关 系 1 1 S MA 本 构 荚 系 S MA 的本构模 型大致 可分为:基 于热动力 学理论 根 据化学 自由能 的构成 建立 的本 构
8、模 型:i 从相界 运动动力 学出发,推导的本构模型“、-;唯象理论模 型 i 基 于能量耗散原 理的 模型。上述模 型当中,建立在实验基础上 的,描述 S MA宏观行为 的唯象理论模型(包括 热力学、热动力学和相变动力学本构关系。,带有 塑性 理论特点的本构关系“)由于实用 性强 以及 参数体系 的便 于确定,因而 在 S MA 智 能复合 材料结构 的分 析应 用 中发挥 着 巨大的 作 用。1 2 S MA智能复合材料本构 荚系 为 了更好地感知和驱动复合 材料结 构 只 知道 S MA 材料 的力学性态 显然是不够的,还必 须深入 了解 S MA元 与基体材料 的相互作用 的力学行 为
9、。早 期 建 立 的普 通 纤 维 增 强 复合 材 料 结 构 的 细观 本 构 模 型 如 复 合 材 料 圆 柱装 配 法(C C A)_ l。和广义 自治方法(GS C S),以及经典 的混合 定则均 可直接推 广用 于求解 S MA 纤 维增强复合材料结构 的等效宏观力学性能参数,从而建立其等效 的本 构关系。但这些模 型是在平均组分应力 应 变假设基础上提 出的,不能反映各组分应力 的变化。为此,近年来又发 展了所谓多胞模型 与 同心圆柱模型”。多胞模 型的代表体积 元一胞被划分 为一组予 域,每个 子域必 包含正方 形 的 S MA纤维 和一 部分基 体材料,采 用子域 内应 力
10、 的平衡 条件,S MA 与基体界面 的位移坍调条件,可建立其等效本构方程 同心圆柱模 型的代表体积元 由三个 相互 嵌套的圆柱体构成,它们是 S MA纤维 基体和无 限厚的 S M 复合材料介质。与多胞模 型相 比 同心 圆柱模型能够更为精细地描述各组分 的应力 分 布情 况。Ab o u d i 认为,如果 S MA纤维尺 寸 比其它组分 的特征尺度大得多,而且 S MA纤维 的体 积含量较小时,采用 所谓 细一 宏观 本构模 型(或称 高阶模 型)比多胞模 型 和同心圆柱模 型,更能 反映客观实际。高阶模 型将 多相材料看成是 由若干个广义单 位胞构 成 每个单位胞包含 8个子 胞,非弹
11、性(马 氐体相变)引起 的高阶应力 场需要采用子胞 的局 部坐标 的高 阶勒让德 多项式逼 近。B a b u r a j 等人 则针对 S MA纤维混杂 复合 材料单层 和层台板 提出了相 应的细一 宏观本构 模型。虽然大多数模 型仅涉及 S MA纤维增强体,但也有研究涉及讨 论球 状和 片状 S MA增强 体的三维细观本构模 型2 z s 维普资讯 http:/ 第】期 任 勇生:S MA 智 能复台 材料结 构研究进 展 2工 程 应 用 2 1 振 动、噪 声 的 主 动控 制 结构的稳 态振 动可采用主动模态修改 的方法控制。该 方法的基本原理是通过加热材料 中的 S MA 元件 使
12、得结 构的整体刚度或局部 刚度得到调整。该方法可行性 的依据在于,随温 度 的 变 化,S MA 的杨 氏模 量会 发生 明显 的 改 变,如 图 1所 示 另外还可采用主动应变能调 节l。的方法进 行稳 态振 动控 制 控 制的原理在于,受 S MA 主 动元驱动作用 时,结构进 入残余 应变状态 与之相应 的应 变能改变 了结构 的能量平 衡状态,因 此,结构的弹性动力学 响应也随之发生 变化 Ro g e r s。采用 主动应变能法 对两端 固支 的混杂 Ni T i 环氧树脂复合材料粱进行 振动控制。Ni Ti 丝的奥氏相变 的结束温 度为 3 0 C,直径 为 0 3 8 mm。预应
13、 变为 5 。该结构的基频随 温度 的变化 曲线如 图 2所示 I 3 I】芒9 7 蠹 娄,Te mp e mt u r c PF 温 度 围 1 Ni Ti 的扬 氏模 量随温 度变化 曲线 图 z Fi g 】Y0 岫 g s m o du l u s 0 f a Ni Ti v s t e mp e r a t u r e 两端 固支石 墨,环氧 粱 固有 频率随 温度变 化 的情 形 Fi g 2 Na t u r a l f r e que e y v s t e mp e r a t ur e a c c la mpe d da mp e d gr a p h i t e e p
14、 ox y b e a m 结 构瞬态振 动的控制通 常是 利用 S MA 元产生力(分布力或 集 中力)来 消耗振 动 能量,从 而抑制或阻止结构振动。所 以,在 S MA纤维增 强复合材 料设计过程 中,一般是将 S MA纤维对 张于结构 的中性轴 层,进行铺 设,以便 产生 回复弯矩。图 3表示按 照简单 的速度反馈控制方案 的悬臂梁瞬态振动的控制结果口 。上述两种主动振动 的控制方法 同样可用 于控制结构 噪声 一 系列 的研 究 已经表 明”基 于不 同 的闭环控 制策略,能够实现 S MA混 杂板梁类 智能复合 材料结 构噪声 的虽优 主动控 制功 能,辐 射噪声的声压 水平 均可
15、降低 到背 景噪声的范围 内 振 动及其噪声 的主动控制 中,当前 最 为突出的 困难是埋 人基体 的 S MA 驱动元 响应速 度 太慢(驱动频率低 于 1 0 Hz),无法控制高频振动 其 中的主要原 因是传统 的电阻加 热与 强制对 流冷却 的热交换机 制限 制 了 S MA 加热 和冷却 的速 度 另外 S MA 的热滞 现象也 是不利 的因 素。有关这一问题的研究 已经引起关注。2 2振动的被动控制 除 了利用主动控制的方法,S MA 复合材料在马 氏体相变 中的高迟滞 阻尼及其在高温奥 氏 相 的伪弹性迟滞阻尼特性,均 可用于实 现结 构振动 的被动 控制 的 目的。图 4为 c
16、u z n AI S MA 材料的内耗散园子 Q 随温度 改变 的关系 曲线 。低温马 氏体 相具 有较高 的阻尼(Q 可 达到 1 0 ),而高温奥 氏体相 的阻尼 较低(Q 约为 l )。普通合金=s 三:p o 苫 维普资讯 http:/ 复台材科学报 第1 6 卷 主 l 。毒皿 Ti meds 时间i s 图 3 悬 臂粱 振动受 控和未控 结果 比较 Fig 3 Co nt r o l e d u n c or lt r o i l e d v ibr a t i o n ot 口 l:非 圈 cu z n _ A】彤状 记忆 台金的 耗散 日子随温 度变化 情形 Fi g Lo
17、s s a c t o r。I a C Zn AI S M A v s t mp e z a m m 如钢和铝的内耗散 因子大约是 0 5 左右。S MA材料的较强阻尼能力是马氏体逆向运动引起 的。许 多因素如应变、应 力和激励 频率 都会 影响 S MA 的阻尼特性。普通 的阻尼材料,如丙烯酸 类橡胶、天然橡胶、聚合物等,虽然 内耗因子介 于 0 1和 0 。1之问 但 是橡胶类 阻尼材 料的弹 性模 量 与 S MA模 量 相 比却 低 得多(橡 胶类 材 料弹性 模 量约 为 7 0 MP a,S MA 弹性 模量 约 为 8 0 GP a)。另外,S MA 的强度 比普通阻尼材料高得多
18、,并且 在拉压,剪切状态下的阻尼系数都是 相同的。S MA混 杂复合材料结构 的被动振动控制应用 的研究 内容近来 已经包括 S MA纤维复 合材料 的被动阻 尼特性-3 1 ,S MA 纤维复合材 料层合结 构的被 动阻 尼特 性 ,S MA 蒙 皮和树 脂夹层复 合材料 隔振性 能,S MA 颗粒 复合 材料 的被动 阻尼性 能 ,这些研 究均 已初 步证 实,混杂 S MA 之后 的复合材料结构 的被动 阻尼能力 比传统 的粘 弹性 阻尼材料得到 明显改 善,因而使得 S MA作 为一种崭新的被动阻尼材料 的进一步广泛使用成为可能 2,3复合材料粱、板结构的抗低速 冲击设计 提高复合材料
19、 的抗 冲击 能力 包括纤维 和基体 的韧化处理,材料在 复合 界面 的韧 化处理及 其沿材料厚度方向的增 强 除上述方 法外,最先进 的方法是和其它智能材料 的混杂化 研 究发 现,经 受同样大小 的低 能量冲击,普通石 墨 环氧 复合 材 料板 比与 S MA 纤维 混杂得 到的复合 材料板 的破坏程度严重 得多,前者在 冲击 处几乎被穿透 将 石墨 环 氧复 合材料 与 Ni Ti 纤 维混杂,由于利用 了 Ni Ti 材料 的高达 8 的超弹性可恢 复应变和超过 2 0 的极 限应变、结构 吸收冲击能量的塑性变形机制 因此 太 为增强,表现 出令人满 意的抗冲击 能力一 研究进 一步
20、表明,埋人 S MA纤 维体 积含 量的改变会导致 冲击韧性 的明显改变”。例如,当 S MA 的体积 含量仅为 2 8,则离层破坏大 约可 降低 2 s 若 S MA体 积含 量增加 为 6 ,则能量 吸收增 加 到 4 l 。此外,如果将 S MA 层 粘贴在结 构受 冲击表面,必然 会 改善结 构的抗 冲击 侵彻 的阻 力 。B i r ma n等 还针对 S MA 纤维在矩形板 基体结构 中的优化 配置问题进行研 究,发 现如果 S MA纤维 的取 向平行 于板的短边,横 向冲击在这种 情况下产 生的位移要 比其余配置下 的位移 小 得 多。2,4裂纹的诊断及其裂纹扩展 的主被动控制
21、埋人结构裂纹 尖端附近 的 Ni T i 丝由于裂纹的扩 展而伸长 电阻率也 随之相 应增加(Ni T i 维普资讯 http:/ 第1 期 任勇生:S MA 智能复 合材料 结构研 究进 展 的电阻率对应变非 常敏感),达到一定 数值后,通过控制 回路发 出控制信 号,于是通 电加热 Ni-Ti 丝产生相变 驱动 回复力迫使裂纹闭合。光弹 实验 已经表 明,由于 Ni Ti 的驱动作用,裂 纹尖端 的强度因子将 因为压应力的出现,急剧地减小。这就 是采用 S MA智能复合材料实现裂 纹主动探测和控制的原理。裂纹 的被动控制 主要是利用 裂纹尖 端附近的 S MA 丝或带 的超弹 性性能,在裂
22、纹表 面始终产生一个 驱使 裂纹 闭合 的回复应 力,于是 随着受力 状态的改变,裂纹 尖端 强 度 因子 也 随 之 减 小。3结 论 虽 然 S MA智 能复合 材料 结构的研究 近来 已取得一 系列进展,并 且开始逐 步进人 工程应 用阶段,但 由于其 中许多理论和技术难题 尚未突破,距实用化 目标还有相 当大 的差距 特 别是 在某些方面,S MA智 能复合材料 的研究还只是一种概念性 的探索。许多研究工作有待 于今后 的进一步深入进行,下面就本领域今后的研究谈几点看法。(1)必须结合实际,深研究 S MA 智能复合材料 的本构 行为,使 其能够适用 于某些 特殊 的应用环境。同时也需
23、要加强相应的实验研究工作。开展相关 的有限元数值模拟研究,建 立适 合于处理包括 S MA 楣变非线性 的有效 的迭代算法。(2)由于复合工艺 的影响 以及 S MA与其 它组分材料特 性的较大 差异,S MA元 的残余应 力易 萌生 界面损伤破坏,研究这种 破坏过程 的机理将有 益于改善 S MA 智能复 合材 料的力学 性 能。(3)在应用 方面,必 须优 先解 决 的几 项关 键课 题 包 括:发 展 先进 的热传 导方 法,以提高 S MA作 动器的驱动频 率;S MA 智 能元 的最优配 置 问题;含有多个 S MA 智能元 的复 合作动,用 于结构 变形 和振动 主动控制 的有效控
24、 制策 略与方法;不 同表 面复合方 法对 S MA 性能的影 响)S MA循环疲劳衰减行为机理。参考文献 l B r e t t R,Gr。鹞 R S S u p e r a c t i v e s h a p e-me m o r y a l l o y c o mp o s i t e sSma rt M a t e r S i r H ,1 9 9 6,5(3):2 55 26 0 2 Ge o r R,S Ac t i v em&t e f i a J s a n d a d a p t i v e 8 t r o c t u S m M ,1 9 9 7,9:l】7 1 2 2 3
25、 Ga n dh i M V,Th o mp s on B S ma r t ma t e r i a a nd s t F u tu r e sL o n d o n:C h a p r n a n Ha u 1 9 9 2 4 Fa l k-P s e nd o e l a s t i c s t r o s s-s t rai n o f r y ma l b n e s ha p e me mo r y a l l o y s c a l c uht e d f r om s i og e c r y s t a l d a t J S c i,l 9 8 9,27 2 7 7 28
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- SMA 智能 复合材料 结构 研究进展
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