用復合材料的設計思想研發(fā)恒彈性、恒剛度材料

　　復合材料是根據需要，采用人工的方法，將不同尺寸、不同形態(tài)(如纖維，晶須，顆粒等)的增強體加入到基體材料中制成的新型材料，它能夠發(fā)揮出基體材料和增強體各自的優(yōu)點而獲得單一合金材料所不具有的特殊性能。這種基于應用需求的性能可設計性，是復合材料的巨大優(yōu)勢及生命力所在。

　　傳統(tǒng)的鋁合金、鎂合金艙體構件在飛行器高速飛行過程中，氣動熱的作用使構件溫度升高，彈性模量隨之降低，導致結構剛度下降以及諧振頻率降低，影響飛行器控制精度，甚至引起危險的顫振。為避免這些現(xiàn)象的發(fā)生，目前的主要方法是增加構件的尺寸，但這一方法不可避免地帶來結構重量的增加。由此產生了對高溫下隨著溫度上升彈性模量不變或者上升的材料的需求。

　　哈爾濱工業(yè)大學材料科學與工程學院的研究者注意到TiNi形狀記憶合金的超彈性特性，升溫時溫度誘發(fā)馬氏體向奧氏體轉變的同時，該合金的彈性模量發(fā)生躍升。通過調整合金中Ti和Ni元素的原子百分比可以改變引起躍升的相變溫度。由此他們想到采用這種合金纖維與鋁合金制成復合材料，有希望獲得在高溫下彈性模量不下降的恒剛度特性。他們選用馬氏體逆相變的開始溫度分別為15℃,85℃和114℃的TiNi50.6，TiNi50.3，TiNi50合金纖維加入到鋁合金基體之中，制成了TiNi/Al復合材料。檢測表明，當TiNi合金纖維體積分數(shù)達到40%~50%時，該復合材料在一定溫度范圍內表現(xiàn)出恒彈性特征。當溫度處于相變溫度之前時，TiNi50.3/Al和TiNi50/Al復合材料的儲能模量隨溫度的變化趨勢與基體鋁合金相似，呈下降趨勢;達到相變溫度后，TiNi50.3和TiNi50復合材料的儲能模量分別在85℃和114℃附近發(fā)生躍升，并在隨后的升溫過程中基本維持在同一水平，從而實現(xiàn)了恒彈性性能。用相變溫度為15℃的TiNi50.6合金絲所制成的TiNi50.6/Al復合材料在室溫至300℃測試溫度范圍內儲能模量不變或略有提高，顯示了該溫度范圍內的恒剛度特性。

　　研究證明，復合材料儲能模量相對值隨溫度的變化與TiNi合金的相變過程密切相關。在TiNi合金相變前，不同溫度復合材料的儲能模量相對值符合混合定律;在TiNi合金相變后，不同溫度復合材料的儲能模量相對值取決于TiNi合金中馬氏體和奧氏體的相對含量。針對復合材料的實際服役溫度范圍，可以通過選用不同相變溫度的TiNi合金纖維，制備在不同溫度范圍內實現(xiàn)恒彈性的復合材料。通過對單向增強復合材料的研究結果分析，將TiNi纖維編織成布，再對鋁合金進行增強，可以獲得二維準各向同性的、具有恒剛度性質的復合材料及其構件，這對于一些對振動有著敏感要求的場合有重要意義。例如飛行器的精密儀器固定支架，在溫度升高之后不會因模量降低而發(fā)生大的振動，從而保證儀表的精度。