NiTi纖維增強Ti-Al金屬-金屬間化合物層狀復合材料的制備與性能

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1、分類號：密級：ＵＤＣ：編號：工學碩士學位論文－ＮｉＴｉ纖維增強ＴｉＡｌ金屬－金屬間化合物層狀復合材料的制備與性能碩士研究生：田瑤指導教師：姜風春教授學科、專業(yè)：材料科學與工程論文主審人：張中武教授哈爾濱工程大學２０１８年３月分類號：密級：UDC：編號：工學碩士學位論文NiTi纖維增強Ti-Al金屬-金屬間化合物層狀復合材料的制備與性能碩士研究生：田瑤指導教師：姜風春教授學位級別：工學碩士學科、專業(yè)：材料科學與工程所在單位：材料科學與化學工程學院論文提交日期：2018年1月論文答辯日期：2018年3月學位授予單位：哈爾濱工程

2、大學ClassifiedIndex:U.D.C:ADissertationfortheDegreeofM.EngFabricationandPropertiesofNiTiFiber-ReinforcedTi-AlMetal-IntermetallicLaminateCompositeCandidate:TianYaoSupervisor:Prof.JiangAcademicDegreeAppliedfor:MasterofEngineeringSpecialty:MaterialsScienceandEngineeringDateofSubmission:Jan.

3、2018DateofOralExamination:Mar.2018University:HarbinEngineeringUniversityNiTi纖維增強Ti-Al金屬-金屬間化合物層狀復合材料的制備與性能摘要纖維增強Ti-Al金屬-金屬間化合物層狀復合材料的特殊結(jié)構(gòu)使其具有一系列的性能特點，如材料的各向異性，以及幾何與物理非線性等，因此在研究、制造和應(yīng)用過程中面臨許多重要和復雜的性能問題。本文針對NiTi纖維增強Ti-Al金屬-金屬間化合物層狀復合材料（SMAFRMIL復合材料）性能的各向異性問題，通過改變纖維鋪設(shè)角設(shè)計出了正交NiTi纖維增強Ti-Al金屬

4、-金屬間化合物層狀復合材料（正交SMAFRMIL復合材料）的新結(jié)構(gòu)，同時制備出了單向NiTi纖維增強Ti-Al金屬-金屬間化合物層狀復合材料（單向SMAFRMIL復合材料）進行性能比較；主要研究了單向SMAFRMIL復合材料和正交SMAFRMIL復合材料的制備工藝和反應(yīng)機理，重點研究了NiTi纖維鋪排方式對SMAFRMIL復合材料力學性能和阻尼性能的影響，并揭示了NiTi纖維鋪排方式在SMAFRMIL復合材料中的作用機理。研究結(jié)果表明：（1）無論初始單元結(jié)構(gòu)為“Ti-NiTi-Al-Ti”還是“Ti-Al-NiTi-Al-Ti”疊層，經(jīng)過熱壓燒結(jié)后NiTi纖維均是均

5、勻地分布在金屬間化合物層中心，且在金屬間化合物層中形成由NiTi纖維、Al3Ti單相區(qū)和兩相混合區(qū)構(gòu)成的“block單元”。通過HSC6.0軟件對Al3Ni相和Al3Ti相形成自由能計算和實驗驗證發(fā)現(xiàn)，Al3Ni相優(yōu)先于Al3Ti相形成，兩者交替形成兩相混合區(qū)獨特的片層結(jié)構(gòu)，并在兩相區(qū)周圍形成單相區(qū)。（2）對不同相體積分數(shù)SMAFRMIL復合材料的密度和彈性模量進行測量，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)SMAFRMIL復合材料的密度為3.8~4.1g/cm3，彈性模量為140~165Gpa。對SMAFRMIL復合材料的顯微硬度測試發(fā)現(xiàn)，垂直于層向的顯微硬度呈周期性規(guī)律分布。（3）通過對

6、單向SMAFRMIL復合材料和正交SMAFRMIL復合材料進行拉伸、壓縮和三點彎曲測試及斷口形貌分析表明，當材料受拉應(yīng)力時，材料中界面對拉伸性能起到重要的作用，由于正交SMAFRMIL復合材料中與拉應(yīng)力垂直的界面對材料的拉伸性能起到弱化的影響，因此正交SMAFRMIL復合材料的抗拉強度低于單向SMAFRMIL復合材料。在壓應(yīng)力狀態(tài)下，正交NiTi纖維鋪排方式在裂紋擴展過程中起到止裂作用，使得正交SMAFRMIL復合材料的抗壓性能優(yōu)于單向SMAFRMIL復合材料。通過斷裂能量計算，在彎曲應(yīng)力狀態(tài)下NiTi纖維的塑性變形和斷裂對材料的斷裂韌性起到重要的貢獻，而正交NiT

7、i纖維鋪排方式所引起的部分層纖維僅發(fā)生脫粘過程使正交SMAFRMIL復合材料的韌性低于單向SMAFRMIL復合材料。（4）通過對單向和正交SMAFRMIL復合材料的阻尼性能分析發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過熱壓燒結(jié)后，NiTi纖維失去了其某些阻尼特性，但其偽彈性的存在仍然使NiTi纖維表現(xiàn)出良哈爾濱工程大學碩士學位論文好的阻尼特性，因此SMAFRMIL復合材料中NiTi纖維的固有阻尼和界面阻尼對復合材料的阻尼性能起到主導作用。正交SMAFRMIL復合材料的界面數(shù)和NiTi纖維的數(shù)量較單向SMAFRMIL復合材料的多，因而表現(xiàn)出較高的阻尼性能。關(guān)鍵詞：纖維鋪排方式；反應(yīng)機理；力學性能