NiTi―Al复合材料膨胀系数的理论计算与实验验证

1、NiTi-AI复合材料膨胀系数的理论计算与实验验证摘 要：文章从理论和实验两方面着手探讨了 NiTi-AI 复合材料的单向膨胀系数的变化，研究了 NiTi-A1复合材料 单向膨胀系数随N订i合金体积分数的变化规律，可作为制 造微小膨胀或零膨胀材料的理论依据。关键词：金属复合材料；膨胀系数；N订i合金1细观力学方法N订i-A1金属基复合材料中N订i合金纤维和Al基体 为机械结合，机械结合是依靠A1基体和NiTi纤维之间摩擦 力而完成，因此具有这类结合类型的金属基复合材料的力学 性能差。若承受垂直于纤维方向的载荷，NiTi/Al界面很容 易松开而导致金属基复合材料失效。因此，NiTi/Al界面的

2、性质决定了 NiTi-Al金属基复合材料材料只能承受沿纤维 方向的载荷。下文将讨论的是N订i-A1金属基复合材料的轴 向弹性模量、泊松比、抗拉刚度、屈服强度、膨胀系数等热 机械性能的计算分析方法。特征单元：特征单元是一种几何单元，使得复合材料 的力学场变量（包括应力、应变、刚度、强度等）相对这种 几何单元而言是连续的。在特征体元上建立直角坐标系（xl, x2, x3), xl沿着纤维的轴线方向称为单向复合材料的径向, x2和x3则位于和纤维垂直的平面内，称为单向复合材料的 横向。用V'代表特征体元的体积，特征体元内纤维和基体 的体积分别用Vf，和VH表示。特征体元内求任意的应力 和应变

3、分量均是点坐标的函数，相对特征体元取平均值后的 应力分量为:(1)式中：V' f-NiTi纤维在特征体元内体积分数；V* mAl在特征体元内体积分数。对第i个应变分量取平均，得到：(2)物体的体积或长度随温度升高而增大的现象称为热 膨胀。假设物体原来长度为L0,温度升高AT后，长度增加 7 al,则：(3)式中：？琢L-线膨胀系数，表征物体受热时长度增大 能力。下文釆用细观力学的方法，结合弹性力学理论并假设 界面呈完美结合状态来研究N订i-Al金属基复合材料纤维 轴向的膨胀系数。假设金属基复合材料纤维方向膨胀系数 为？琢,A1基体的线膨胀系数为？琢m纤维的膨胀系数为？ 琢f,温度上升？

4、驻T,基体和纤维的热变形相等，等于金 属基复合材料的轴向应变。则有：基体中的热应力平衡：由上面推导可见金属基复合材料的膨胀系数与NiTi 合金和A1基体的膨胀系数及体积分数有关，下文将进行实 验验证。2 NiTi-Al复合材料单向膨胀系数实验测量膨胀测试仪为湘潭湘仪仪器有限公司生产的PCY-G系 列膨胀测试仪器，系统测量误差在土0. 1-0. 05%之内，膨胀 值测试分辨率为lum,升温速度0-100°C/min可调。将样品尺寸制成长50± 1mm,宽度为6. 5±0. lmmo共 有四个样品，从1号到4号NiTi合金的体积分数分别为0、 2.07%、3. 12%

5、和 4. 56%O3实验测试结果与讨论图1为膨胀系数测试仪测得的线膨胀系数随温度的变 化曲线，随着温度的升高，膨胀系数渐渐趋近于一个稳定值。 从图中可知，NiTi-Al复合材料的单向膨胀系数随着NiTi体 积分数的增加而减小。N订i合金的初始预应变为4.5%,由 于NiTi合金的形状记忆效应，当NiTi合金受热时，初始预 应变将回复至零，但是由于A1基体的约束，NiTi合金内部 将产生较大的回复力，这部分回复力通过NiTi/Al界面传递 给A1基体，阻碍A1基体随温度的升髙而膨胀，这样从整体 来看，NiTi-A1复合材料的膨胀系数比纯铝材料的膨胀系数 要小。图1线膨胀系数测试表1列出了不同体积

6、分数N订i-A1复合材料在10(TC 的单向膨胀系数实验测试值与理论值。表1为100*时不同 NiTi合金体积分数NITi-Al复合材料膨胀系数理论值和实验 值对比图，从图中可知，理论预测值与实验值对比很相近， 在N订i体积分数为4. 56%时，理论值与实验值对比最大误差 为6. 14%,这也从侧面证明了用细观力学的方法分析N订i-Al 复合材料的热-力学性能是较为准确的。表1 10(TC时NiTi-A1膨胀系数实验与理论值对比文章探讨了不同N订i合金体积分数的NiTi-A1复合 材料的单向膨胀系数的变化，特别是当NiTi合金有预应变 时，对NiTi-Al复合材料加热，WTi合金回复收缩，对基体 产生