材料科學(xué)與工程專業(yè)畢業(yè)論文

1、<p>　　學(xué) 號 2009104118 </p><p>　　密 級 </p><p>　　哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文</p><p>　　NiTi形狀記憶合金絲增強(qiáng)Mg-11Li合金</p><p><b>　　復(fù)合材料研究</b></p><

2、p>　　院（系）名稱：材料科學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院</p><p>　　專業(yè)名稱：材料科學(xué)與工程</p><p><b>　　學(xué)生姓名：張祺</b></p><p>　　指導(dǎo)教師：張密林 教授</p><p><b>　　哈爾濱工程大學(xué)</b></p><p><b&g

3、t;　　2013年6月</b></p><p>　　學(xué) 號 2009104118 </p><p>　　密 級 </p><p>　　NiTi形狀記憶合金絲增強(qiáng)Mg-11Li合金</p><p><b>　　復(fù)合材料研究</b></p><p>

4、;　　Study on magnesium-11lithium alloy matrix</p><p>　　composite reinforced with TiNi shape memory fiber</p><p><b>　　學(xué)生姓名：張祺</b></p><p>　　所在學(xué)院：材料科學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院</p><

5、p>　　所在專業(yè)：材料科學(xué)與工程</p><p><b>　　指導(dǎo)教師：張密林</b></p><p><b>　　職稱：教授</b></p><p>　　所在單位：哈爾濱工程大學(xué)</p><p>　　論文提交日期：2013年6月</p><p>　　論文答辯日期：20

6、13年6月</p><p>　　學(xué)位授予單位：哈爾濱工程大學(xué)</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　鎂鋰合金具有超輕特性以及較高的比強(qiáng)度和比剛度，是宇航、兵器行業(yè)中不可或缺的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料。近年來鎂鋰合金的運(yùn)用越來越廣泛，已經(jīng)逐漸擴(kuò)展到汽車、電子以及民用等領(lǐng)域。但是，由于鎂鋰合金自身存在強(qiáng)度低的問題，限制了其進(jìn)一步的發(fā)

7、展。為了拓展鎂鋰合金的應(yīng)用領(lǐng)域，提高鎂鋰合金的綜合性能，本研究采用高強(qiáng)度、高耐熱性的NiTi形狀記憶纖維增強(qiáng)Mg-11Li合金，使鎂鋰合金復(fù)合材料具有較高的強(qiáng)度的同時仍然具備其超輕的優(yōu)異特性。目前，人們對NiTi纖維增強(qiáng)鎂鋰合金的研究較少，因此本研究的創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)為鎂鋰合金復(fù)合材料的進(jìn)一步發(fā)展提供了一定的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。</p><p>　　本課題采用真空熱壓法制備NiTi形狀記憶纖維增強(qiáng)Mg-11Li合金復(fù)合材料，

8、通過設(shè)置不同的加熱溫度、保溫時間、纖維體積分?jǐn)?shù)制備出不同工藝參數(shù)下的復(fù)合材料試樣。通過金相、SEM、能譜、XRD、DSC對各試樣進(jìn)行系統(tǒng)的研究，得出加熱溫度、保溫時間對NiTi形狀記憶纖維增強(qiáng)Mg-11Li合金復(fù)合材料的界面顯微組織形貌和成分的影響規(guī)律。最后還探究不同加熱溫度、保溫時間、纖維體積分?jǐn)?shù)對復(fù)合材料力學(xué)性能和斷口形貌的影響。結(jié)果表明：</p><p>　　溫度是影響復(fù)合材料界面結(jié)合最關(guān)鍵的因素，溫度越高

9、，界面結(jié)合越好。保溫時間影響著界面的擴(kuò)散程度，但是對復(fù)合材料的力學(xué)性能影響不大。其中，在510℃保溫1h基體和纖維形成了粘接良好的界面，結(jié)合致密，沒有孔洞和縫隙，其拉伸強(qiáng)度可達(dá)195MPa，比鎂鋰合金基體高了50MPa。NiTi纖維體積分?jǐn)?shù)越高，復(fù)合材料強(qiáng)度越高，其中體積分?jǐn)?shù)為11.2%的復(fù)合材料強(qiáng)度可達(dá)222MPa。</p><p>　　目前研究內(nèi)容中還沒有單獨(dú)對NiTi形狀記憶合金增強(qiáng)Mg-11Li合金復(fù)合材

10、料的界面結(jié)合力進(jìn)行檢測分析。再則，鎂鋰合金的耐腐蝕性差，其表面應(yīng)該進(jìn)行一些必要的處理才可能真正得到廣泛的運(yùn)用。后續(xù)的實(shí)驗(yàn)中，我們將對該復(fù)合材料的研究方案進(jìn)行改進(jìn)，在提高復(fù)合界面結(jié)合強(qiáng)度的同時，通過表面處理改善復(fù)合材料的耐蝕性能。</p><p>　　關(guān)鍵詞：真空熱壓法；鎂鋰合金復(fù)合材料；NiTi形狀記憶纖維；拉伸強(qiáng)度</p><p><b>　　ABSTRACT</b>

11、;</p><p>　　Mg-Li alloy has ultralight properties, high specific strength and specific stiffness, which makes it to be the indispensable lightweight structural materials in aerospace and weapons industry. In

12、recent years, the use of Mg-Li alloy is more widely than before, and the Mg-Li alloy has been gradually extended its field to the automotive, electronics and other civilian areas. However, due to the Mg-Li alloy itself

13、presents the problem of low intensity , limiting its further development. In order t</p><p>　　Mg-11Li alloy matrix composite materials reinforced by NiTi shape memory alloy fiber through vacuum hot pressing

14、is in this topic. The different process parameters set to fabricate composite specimens is prepared by means of setting different heating temperature, holding time, fiber volume fraction. In the systematic study of each

15、sample investigated by OM , SEM, EDS , XRD, DSC ,we obtain the regulation of the heating temperature, holding time to impact interfacial microstructure morphology and </p><p>　　Temperature is the most critic

16、al factor to influence the interface bonding, and the higher the temperature is, the better the interfacial bonding is. Holding time affects the degree of diffusion of the interface, but making little effect on the mecha

17、nical properties of the composites. Among them, a good interfacial adhesion formed between matrix and fiber at the temperature of 510 ℃ for 1 hour, which was binding tight, having no holes and cracks either, and the ten

18、sile strength of the composite</p><p>　　Current research is also no single right detection and analysts for the interfacial adhesion strength of NiTi SMA fiber reinforced Mg-Li alloy matrix composite. Furthe

19、rmore, the corrosion resistance of Mg-Li alloy is poor, the surface should receive some necessary superficial treatment to make sure that the composite is really widely used. In subsequent experiments, we will mend the r

20、esearch approach for fabricating the composite. We desire improve the bonding strength of the composites, while a</p><p>　　Key words：Vacuum hot pressing; Mg-Li alloy matrix composite; NiTi shape memory fiber

21、; Tensile strength</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘 要I</b></p><p>　　ABSTRACTII</p><p><b>　　第1章　緒論1</b></p><p>　　1

22、.1　鎂鋰超輕合金概述1</p><p>　　1.1.1 鎂鋰超輕合金發(fā)展歷程1</p><p>　　1.1.2 鎂鋰超輕合金的特點(diǎn)2</p><p>　　1.1.3 鎂鋰超輕合金復(fù)合材料的制造方法2</p><p>　　1.1.4鎂鋰超輕合金的應(yīng)用5</p><p>　　1.2 NiTi形狀記憶合金概述

23、6</p><p>　　1.2.1 NiTi形狀記憶合金相關(guān)概念6</p><p>　　1.2.2 NiTi形狀記憶合金的性能7</p><p>　　1.2.3 形狀記憶效應(yīng)8</p><p>　　1.2.4 醫(yī)用NiTi形狀記憶合金9</p><p>　　1.3 課題理論依據(jù)10</p>&l

24、t;p>　　1.4 NiTi形狀記憶合金絲增強(qiáng)Mg-11Li合金復(fù)合材料設(shè)計(jì)思路12</p><p>　　1.5 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀12</p><p>　　1.6 研究目的及主要研究內(nèi)容14</p><p>　　1.6.1 研究目的14</p><p>　　1.6.2 研究內(nèi)容14</p><p>　　第

25、2章　實(shí)驗(yàn)材料與方法15</p><p>　　2.1 實(shí)驗(yàn)材料及藥品15</p><p>　　2.2 實(shí)驗(yàn)儀器17</p><p>　　2.2.1 真空熱壓爐17</p><p>　　2.2.2 X射線衍射儀17</p><p>　　2.2.3 掃描電子顯微鏡18</p><p>　

26、　2.2.4 示差掃描量熱儀19</p><p>　　2.2.5 電子萬能拉伸試驗(yàn)機(jī)20</p><p>　　2.3 復(fù)合材料的制備過程20</p><p>　　2.3.1 原材料的預(yù)處理20</p><p>　　2.3.2 預(yù)制件的制備21</p><p>　　2.3.3 真空熱壓工藝過程21</p

27、><p>　　2.4 樣品制備23</p><p>　　2.4.1 金相（掃描電鏡）試樣的制備23</p><p>　　2.4.2 DSC樣品制備23</p><p>　　2.4.3 拉伸試樣的制備24</p><p>　　第3章 NiTi/Mg-11Li合金復(fù)合材料制備及界面研究25</p>&l

28、t;p><b>　　3.1 引言25</b></p><p>　　3.2 NiTi形狀記憶纖維增強(qiáng)Mg-11Li合金復(fù)合材料的顯微組織分析26</p><p>　　3.2.1 NiTi/Mg-11Li復(fù)合材料界面金相組織分析26</p><p>　　3.2.2 NiTi/Mg-11Li復(fù)合材料界面掃描電子顯微分析28</p&

29、gt;<p>　　3.3 NiTi形狀記憶纖維增強(qiáng)Mg-11Li合金復(fù)合材料界面能譜分析32</p><p>　　3.4 NiTi形狀記憶纖維增強(qiáng)Mg-11Li合金復(fù)合材料X射線衍射分析34</p><p>　　3.5 NiTi形狀記憶纖維的示差掃描熱分析(DSC)36</p><p>　　3.6 本章小結(jié)37</p><p

30、>　　第4章 力學(xué)性能測試和斷口分析39</p><p>　　4.1 不同工藝下的拉伸性能測試39</p><p>　　4.2 復(fù)合材料強(qiáng)度計(jì)算41</p><p>　　4.3 復(fù)合材料斷口形貌分析43</p><p>　　4.4 本章小結(jié)44</p><p><b>　　結(jié) 論47&

31、lt;/b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)49</b></p><p><b>　　致 謝52</b></p><p><b>　　第1章　緒論</b></p><p>　　1.1　鎂鋰超輕合金概述</p><p>　　隨著世界范

32、圍內(nèi)能源短缺的加劇，很多工業(yè)領(lǐng)域?qū)Σ牧虾推骷妮p量化提出越來越苛刻的要求。鎂合金材料以質(zhì)輕、儲量大和綜合性能優(yōu)異而著稱。如今，應(yīng)用領(lǐng)域?qū)Σ牧系奶厥庖蟾蛊鋬?yōu)勢日益顯著，現(xiàn)已躋身為21世紀(jì)最具發(fā)展?jié)摿Φ木G色工程材料。鎂鋰合金作為世界上最輕的結(jié)構(gòu)材料，其具有的優(yōu)良機(jī)械性能和超低的密度是其他金屬材料無法與之相比的，使得它在科學(xué)研究和國民生活諸多領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣泛，尤其是在航空航天、電子和軍事等高科技領(lǐng)域優(yōu)勢顯著，越來越受到人類的重視和青睞[

33、1-2]。</p><p>　　1.1.1 鎂鋰超輕合金發(fā)展歷程</p><p>　　德國學(xué)者M(jìn)asing在1910年研究鋰、鈉、鉀與鎂相互作用時無意中發(fā)現(xiàn)了鎂與鋰之間能夠發(fā)生不可思議的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，并且斷定此結(jié)構(gòu)是超結(jié)構(gòu)。</p><p>　　在20世紀(jì)30年代，眾多學(xué)者接連不斷的爭相對鎂鋰合金二元相圖進(jìn)行測定以及繪制，但一直沒有突破性的進(jìn)展。直到19世紀(jì)40年代，德

34、國、英國、美國的研究人員才陸續(xù)證實(shí)了鎂鋰合金中的鋰含量超過5.7%時，其晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，從不易滑移的密排六方結(jié)構(gòu)（hcp）轉(zhuǎn)變成容易滑移體心立方結(jié)構(gòu)（bcc）。到20世紀(jì)60年代，F(xiàn)reech和Raynor兩位科學(xué)家經(jīng)過大量的研究后完整而精確地繪制出鎂鋰合金的二元相圖，樹立了鎂鋰合金研究中的一個里程碑，從此往后，人們基于此相圖研究鎂鋰合金的諸多性能才快捷了很多[3-7]。</p><p>　　20世紀(jì)60年代中

35、期至80年代末，蘇聯(lián)科學(xué)院就已經(jīng)看到鎂鋰合金的巨大發(fā)展?jié)摿Σ㈤_始對其進(jìn)行系統(tǒng)的研究，相繼研制出了MA21、MA81等系列的合金，與此同時，還采用鎂鋰合金制備出了組織穩(wěn)定、延展性及強(qiáng)度等綜合性能優(yōu)良的機(jī)器零部件，并創(chuàng)造性的將鎂鋰合金零件應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，以減輕航天飛機(jī)和宇宙飛船的質(zhì)量。由于鎂鋰超輕合金的應(yīng)用，航天飛行器的質(zhì)量大大減輕了，效果極其顯著。</p><p>　　1992年Taleff等又制成晶粒度低于6

36、μm的Mg-9Li合金，并于100℃下獲得的延伸率高至450%。日本滕谷涉[8]等制得的Mg-8Li合金在300℃還處于鑄態(tài)時延伸率也能夠高達(dá)300%。</p><p>　　目前，美國、日本、德國、俄羅斯等諸多強(qiáng)國都有各自的商業(yè)Mg-Li合金系，相比國外，對于鎂鋰合金的研究，我國起步較晚，目前國內(nèi)還沒有相應(yīng)的合金系。我國是從20世紀(jì)90年代起才開始進(jìn)行研究鎂鋰合金，在這一時期掀起了鎂鋰合金的研究熱潮，且主要集中在

37、中科院、東北大學(xué)等各大高等研究院校，研究的主要內(nèi)容為Mg-Li-Zn、Mg-Li-Al、Mg-Li-RE的力學(xué)及時效方面的性能。</p><p>　　1.1.2 鎂鋰超輕合金的特點(diǎn)</p><p>　　鎂鋰合金除了擁有其他鎂合金的優(yōu)點(diǎn)以外，還有自身突出的優(yōu)勢，歸納起來有以下幾點(diǎn)：</p><p>　　從化學(xué)元素周期表中分析得知，雖然Be和Na元素原子質(zhì)量小，但是兩者

38、均不適合作為合金元素，因?yàn)锽e太過稀少，而Na的活性太大，化學(xué)性質(zhì)過于活潑，所以，鎂鋰合金便成為當(dāng)前密度最小的合金系[9]。鎂鋰合金具有獨(dú)特的優(yōu)勢，堪稱是超輕合金，密度僅有1.3~1.65/cm3，與其他合金系相比，僅是鋁合金的二分之一，普通鎂合金的四分之三。密度小僅是鎂鋰合金的優(yōu)勢之一，過去研究表明，鎂鋰合金還具有非常高的比強(qiáng)度和比剛度。</p><p>　　與其他合金材料有很大不同的一點(diǎn)是，鎂鋰合金的低溫抗沖

39、擊性能優(yōu)良，它在低溫下仍然保持很高的塑性。鎂鋰合金還對噪聲、振動緩沖能力很強(qiáng)。</p><p>　　鎂鋰合金具有優(yōu)良的焊接性能，在焊接時省去了單獨(dú)制備焊接材料的步驟，只需直接采用其本體材料就可以達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)的的焊接性能，這是與其他合金的不同之處，也正是鎂鋰合金的優(yōu)勢所在。</p><p>　　因?yàn)長i元素的加入使得Mg的滑移系增多，因此鎂鋰合金機(jī)械加工性能比一般鎂合金更優(yōu)，易于加工變形成所

40、需要的不同形狀的薄板和擠壓鑄造成異形材料，值得注意的是，鎂鋰合金還能進(jìn)行超塑性成型，其相應(yīng)的加工成品率與普通鎂合金比起來提高了很多[10]。</p><p>　　鎂鋰合金還具有優(yōu)異的電磁屏蔽性能，能夠抵抗宇宙射線對電子設(shè)備的干擾，在航空、航空領(lǐng)域得到了大量的應(yīng)用以滿足該高科技領(lǐng)域?qū)p質(zhì)材料的需求[11]。</p><p>　　我國擁有十分豐富的鎂和鋰資源，這對開發(fā)新型鎂鋰合金及鎂鋰合金復(fù)合

41、材料的崛起具有戰(zhàn)略意義。</p><p>　　1.1.3 鎂鋰超輕合金復(fù)合材料的制造方法</p><p>　　由于鎂鋰合金研究的起步較晚，所以到目前為止還沒有像其他類金屬基復(fù)合材料一樣深入和廣泛的研究，鎂鋰合金復(fù)合材料的研究也僅僅是局限在實(shí)驗(yàn)室階段。想要制備鎂鋰合金復(fù)合材料，只可以根據(jù)過去制備其他金屬基復(fù)合材料的經(jīng)驗(yàn)，借鑒過去的制備方法。因此，鎂鋰合金復(fù)合材料的研究空間和余地還很廣闊，要想

42、在鎂鋰合金復(fù)合材料的研究上取得突破性進(jìn)展，找到適合鎂鋰合金的增強(qiáng)纖維是達(dá)到該目標(biāo)最關(guān)鍵的一步[12]。</p><p><b>　?。ㄒ唬┙B法</b></p><p>　　在制備Mg-Li基復(fù)合材料的方法中，浸滲法是最主要的方法。按照滲透壓力的不同，可以分為壓力（或擠壓）浸滲法、真空浸滲法、以及澆注法三種浸滲方法。</p><p>　?。?）

43、真空浸滲法。首先將纖維裝進(jìn)低碳鋼管內(nèi)，兩端均需要進(jìn)行密封處理，其中一端采用鎂鋰合金基體密封，另一端與真空泵對接，然后把密封的一端插進(jìn)事先過熱到合理的溫度的基體合金液中，對系統(tǒng)抽真空并保溫適當(dāng)?shù)臅r間，以保證基體合金和增強(qiáng)相之間的界面結(jié)合良好。此方法存在的缺點(diǎn)是要想制備形狀復(fù)雜的工件過于困難，而且難以控制增強(qiáng)相的體積分?jǐn)?shù)和均勻程度，界面結(jié)合程度較差以及高溫下的基體容易侵蝕增強(qiáng)相而使得復(fù)合材料綜合性能降低等。</p><p

44、>　?。?）壓力（或擠壓）浸滲法。此方法是制備鎂鋰合金復(fù)合材料比較常用的方法，詳細(xì)的工藝流程為：先將增強(qiáng)纖維或晶須的預(yù)制塊或纏繞擰緊態(tài)的長纖維放入鑄模中，再把基體合金放進(jìn)加熱器，待爐料熔化并過熱到適當(dāng)溫度，再抽動滑板使合金液進(jìn)入鑄型中，同時用壓塞或惰性氣體加壓并保持壓力一定時間。此方法還有幾個問題需要解決：①預(yù)制塊預(yù)熱溫度及合金液的過熱溫度的選擇；②預(yù)制塊粘結(jié)劑的選擇。③由于基體與增強(qiáng)相之間的結(jié)合較難控制，容易發(fā)生不潤濕或界面反應(yīng)

45、。④為保證完全浸滲，預(yù)制塊的厚度受到限制。</p><p>　　（3）澆注法。此方法實(shí)際很少應(yīng)用，因?yàn)镸g-Li合金密度較小，澆注法只適用于增強(qiáng)相體積分?jǐn)?shù)很小的情況。</p><p><b>　?。ǘ?粉末冶金法</b></p><p>　　粉末冶金法的工藝流程為：首先在干燥的氬氣氛圍中，把鎂鋰合金基體加工成晶粒尺寸小的顆粒（直徑約25um）

46、。值得注意的是，這種擠壓的方法并不能使B顆粒在基體材料中分布均勻，所以還需要把前面一步驟制成的復(fù)合材料坯料繼續(xù)進(jìn)行機(jī)械加工，滾壓成薄片材料，然后再將以上薄片剪碎成尺寸很小顆?；旌暇鶆蚝笾貜?fù)前面的步驟反復(fù)進(jìn)行滾壓、擠壓，最終得到B顆粒分布均勻在基體中的Mg-Li-B復(fù)合材料[13]。</p><p><b>　?。ㄈ┍∧ひ苯鸱?lt;/b></p><p>　　薄膜冶金法的

47、的具體工藝流程為：首先將基體合金經(jīng)過多道次的冷壓變形以及低溫中間均勻化退火或者低溫?zé)彳埡笮纬杀∧?，然后將作為增?qiáng)相的B4C緩緩地均勻涂抹在基體合金薄膜表面，最后將多層薄膜疊在一起并擠壓成復(fù)合材料，其中溫度設(shè)定在180℃~230℃。以上介紹的工藝制備出的復(fù)合材料基體和增強(qiáng)相之間的界面粘接強(qiáng)度非常低，基本全是機(jī)械結(jié)合這種方法的缺點(diǎn)與粉末冶金法極其相似：所有過程都需要在惰性氣體保護(hù)下才能進(jìn)行、制備工藝復(fù)雜繁瑣、對設(shè)備條件要求苛刻以及需要高額的

48、制造成本。</p><p><b>　　（四）攪拌鑄造法</b></p><p>　　金屬在鑄造過程中的形態(tài)各異，根據(jù)不同的形態(tài)可將鑄造過程分為全液態(tài)攪拌鑄造（即首先將基體金屬加熱熔化成液態(tài)，然后摻入增強(qiáng)相并加以攪拌一定時間后冷卻至常溫）、半固態(tài)攪拌鑄造（與全液態(tài)攪拌鑄造類似，半固態(tài)攪拌鑄造在基體金屬加熱至半固態(tài)時摻入增強(qiáng)體，經(jīng)攪拌適當(dāng)?shù)臅r間后降溫至室溫）和攪熔鑄造（

49、也就是在基體金屬加熱至半固態(tài)狀態(tài)時加入增強(qiáng)相，攪拌一定時間之后升溫至高于基體合金熔點(diǎn)溫度，與此同時不斷地進(jìn)行攪拌后冷卻至室溫）三種類型。這種方法仍然具有一些缺點(diǎn)，例如界面在高溫下發(fā)生反應(yīng)，需要惰性氣體或者覆蓋劑保護(hù)以避免氧化，而且由于鎂鋰合金質(zhì)輕，如果使用的增強(qiáng)相密度過大還會導(dǎo)致增強(qiáng)體下沉聚集，不易分布均勻。</p><p><b>　　（五）原位合成法</b></p><

50、;p>　　原位合成法是近年來逐漸發(fā)展起來的一種制備金屬基復(fù)合材料的新方法。該方法通過基體合金與反應(yīng)物發(fā)生一定的化學(xué)反應(yīng)，在基體中原位生成所需的增強(qiáng)體。</p><p>　?。?）重熔稀釋原位反應(yīng)合成法。該方法的制備工藝過程是：首先對增強(qiáng)體進(jìn)行球磨以后，在保護(hù)氣體氬氣的氛圍下進(jìn)行熱處理，制得的增強(qiáng)體粉末在該工藝下被活化；然后將活性粉末壓制成預(yù)定形狀尺寸的預(yù)制塊，再在惰性氣體氬氣的保護(hù)下進(jìn)行燒結(jié)；接下來將前一步

51、制備的預(yù)制塊加入高溫熔融的合金中進(jìn)行重熔稀釋，為了實(shí)現(xiàn)基體和增強(qiáng)相之間均勻的混合還需要對合金液進(jìn)行強(qiáng)力攪拌，然后靜置保溫一定時間；最后把它澆注至預(yù)制的模具之中來制備Mg-Li基復(fù)合材料。該方法與傳統(tǒng)制備工藝相較，基本能克服其他傳統(tǒng)方法中經(jīng)常出現(xiàn)的一連串的問題，例如，傳統(tǒng)工藝中基體與增強(qiáng)體或第二相之潤濕性差、增強(qiáng)體分布不均勻，原位合成法不但能克服上述缺點(diǎn)，還能使復(fù)合材料的機(jī)械性能得到大幅度的提高[14]。</p><p

52、>　　（2）液態(tài)原位反應(yīng)合成法。液態(tài)原位合成法的工藝過程是：首先將純Mg熔化然后過熱至適當(dāng)?shù)臏囟龋儆苗娬址ㄏ蛉廴诮饘僖褐屑尤脒m量的純Li，待鎂鋰合金熔化并且過熱至特定的溫度后再次采用鐘罩法將鋁箔包裹的SiO2粉末壓入合金液中并適當(dāng)攪拌混合物，靜置5min之后將合金液澆注到石墨鑄型中，就可以制成鎂鋰合金基復(fù)合材料。研究結(jié)果表明，復(fù)合材料的增強(qiáng)相和基體之間結(jié)合良好，沒有脆性的反應(yīng)物生成。此方法制備的Mg-Li合金基復(fù)合材料，增強(qiáng)相原

53、位生成，與基體之間的界面沒有受到污染，并可與其形成強(qiáng)烈的鍵合作用，而且自生的增強(qiáng)相粒子的顆粒尺寸非常細(xì)?。?.2~0.58μm）分布均勻而彌散，使得復(fù)合材料的性能顯著地提高。</p><p><b>　　（六）熱壓法</b></p><p>　　熱壓法是近幾年來逐漸發(fā)展起來的一種新燒結(jié)方法。熱壓法與冷壓技術(shù)相比，具有其獨(dú)特的優(yōu)勢：在熱壓過程中同時外界施加高壓，使得材料

54、在較低溫度下就可以復(fù)合，并且得到其他工藝無法制備的致密材料，它可以保證被熱處理的材料化學(xué)成分保持不變。熱壓過程中施加的壓力并不大，制備出的材料顯微組織均勻。熱壓法的燒結(jié)溫度可比無壓燒結(jié)低至幾十到幾百度的溫度，并且使復(fù)合材料達(dá)到致密化，獲得的晶粒細(xì)小[15]。</p><p>　　熱壓法有兩種形式的制備方法，一種是指將經(jīng)過表面處理的SMAs絲與金屬基體交替疊加而成，另一種是在SMAs絲表面浸涂熔融液態(tài)金屬制成線狀原

55、料，然后將線狀原料緊密排列在一起進(jìn)行燒結(jié)的工藝。</p><p>　　鑒于上述前五種制備方法存在一定的缺陷，本文作者嘗試?yán)脽釅悍ㄖ械牡诙N方法，在真空熱壓下制備NiTi形狀記憶合金絲增強(qiáng)Mg-11Li復(fù)合材料。</p><p><b>　　鎂鋰超輕合金的應(yīng)用</b></p><p>　?。ㄒ唬┖娇蘸教祛I(lǐng)域的應(yīng)用</p><

56、p>　　20世紀(jì)70年代，在火箭和宇宙飛船上的鎂鋰合金零部件首先由CIIIA制備得，此舉獲得了良好的效果。這個部件的運(yùn)用使飛船的質(zhì)量驟然減少了22kg，節(jié)約了飛船發(fā)射成本。之后鎂鋰合金發(fā)展迅猛，甚至連“ CaTypH-V ”火箭的計(jì)算設(shè)備外殼和計(jì)算機(jī)的底盤也是用鎂鋰合金制成的。</p><p>　　IBM經(jīng)過繁瑣而曲折的研究，終于研制加工出一種鎂鋰合金，并且最終在Saturn V運(yùn)載火箭計(jì)算機(jī)室獲得了應(yīng)用，

57、鎂鋰合金的使用，使這個結(jié)構(gòu)的質(zhì)量足足降低了20kg。</p><p>　　美國多家公司采用鎂鋰合金制備了各種各樣的零件，這些零件包括支架、框架、波導(dǎo)管、電子儀器的外殼、隔熱板、火箭的艙蓋等等。</p><p>　　鎂鋰合金不僅大量應(yīng)用于航空領(lǐng)域，而且還用于航天領(lǐng)域的飛機(jī)制造業(yè)。鎂鋰合金通?？梢赃m用于如支架、門、電子儀器的外殼、整流裝置等一些對機(jī)械加工性能和比剛度要求較高的機(jī)器零部件的制備。

58、此外，鎂鋰合金還能夠應(yīng)用于飛機(jī)貨倉蒙皮、縱梁、應(yīng)急舷梯的制造。</p><p>　?。ǘ┸娛骂I(lǐng)域的應(yīng)用</p><p>　　陶氏化學(xué)公司創(chuàng)造性的開發(fā)了LA136合金，之后又對它加以改進(jìn)，最后制成了Mg-14Li-1.5Al-0.08Mn，該合金經(jīng)過加工后被用于制造M113軍用運(yùn)輸車殼體，在保證強(qiáng)度足夠的同時明顯減輕了裝甲車質(zhì)量，因此他的機(jī)動性能得以提高。</p><p

59、>　?。ㄈ┟裼妙I(lǐng)域的應(yīng)用</p><p>　　在醫(yī)療方面，德國漢諾維大學(xué)經(jīng)過一系列的研究，成功的制備出了鎂鋰合金心血管植入件，從此打開了鎂鋰合金應(yīng)用于民用醫(yī)療領(lǐng)域的新思路。日本的研究者更是別出心裁的利用鎂鋰合金的質(zhì)輕特點(diǎn)將其運(yùn)用于擴(kuò)音器和眼鏡等民用產(chǎn)品的零部件的制造，方便了人類的生活。LA141合金在英國一家公司已經(jīng)投入商業(yè)化的生產(chǎn)運(yùn)營，制成的產(chǎn)品種類繁多，其中包括帶材和板材、鑄造材和擠壓材。</p

60、><p>　　1.2 NiTi形狀記憶合金概述</p><p>　　1.2.1 NiTi形狀記憶合金相關(guān)概念</p><p>　　機(jī)敏材料是指能感知環(huán)境變化，并且通過改變自身或多個性能參數(shù)對環(huán)境的變化作出反應(yīng)，使之與變化后的環(huán)境相適應(yīng)的復(fù)合材料或材料-器件的復(fù)合結(jié)構(gòu)[16]。</p><p>　　形狀記憶效應(yīng)是指合金處于低溫相時變形，加熱到臨界溫

61、度（逆相變點(diǎn)）通過逆相變恢復(fù)到其原始形狀的現(xiàn)象。具有形狀記憶效應(yīng)的合金稱為形狀記憶合金，它被人們譽(yù)為奇妙的功能材料，雖然開發(fā)研究的時間不長但發(fā)展十分迅速。形狀記憶合金（SMAs）作為機(jī)敏復(fù)合材料最重要的組員之一，具有不同于普通合金的特性，例如形狀記憶效應(yīng)（SME）、偽彈性和高阻尼性能等。在機(jī)敏復(fù)合材料中SMAs不僅可以用作傳感器，改變智能材料系統(tǒng)的位置、形狀、剛度、應(yīng)變、阻尼等性能和自然頻率，還可以很輕易地制成顆粒狀、帶狀和絲狀，復(fù)合到

62、其他材料中去而形成復(fù)合材料[17-18]。</p><p>　　NiTi SMA是SMAs系列中性能最好的形狀記憶合金，現(xiàn)在已經(jīng)成為形狀記憶合金課題研究的熱門方向。NiTi合金的母相時CsCl型體心立方B2結(jié)構(gòu)，其中具有實(shí)用性的NiTi合金Ti、Ni元素的原子比接近1:1。NiTi形狀記憶合金之所以廣受材料科學(xué)和工程界的矚目，在形狀記憶合金的應(yīng)用領(lǐng)域也占據(jù)重要位置，是因?yàn)镹iTi合金的形狀記憶和超彈性性能優(yōu)異、相

63、變現(xiàn)象豐富、耐腐蝕性較好、生物相容性和力學(xué)性能良好、阻尼特性非常高。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，NiTi合金的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣闊，現(xiàn)已成為最廣泛的的形狀記憶工程材料，應(yīng)用范圍從航空航天、機(jī)械、電子已經(jīng)擴(kuò)展到能源、建筑、交通、生物醫(yī)學(xué)以及居民日常生活等領(lǐng)域。</p><p>　　當(dāng)前的研究中，通常將NiTi形狀記憶纖維作為復(fù)合材料的增強(qiáng)相，選用高分子作為復(fù)合材料的基體。由于金屬基復(fù)合材料比高分子材料具有更優(yōu)異的性能，例如高

64、比強(qiáng)度、比模量、良好的導(dǎo)熱和導(dǎo)電性、較小的線膨脹系數(shù)和優(yōu)良的尺寸穩(wěn)定性等，因此金屬基復(fù)合材料比高分子基復(fù)合材料具有更大的發(fā)展?jié)摿?，更加廣闊的應(yīng)用空間，因此我們將設(shè)計(jì)使NiTi形狀記憶纖維與金屬壓合在一起制成金屬基復(fù)合材料。</p><p>　　1.2.2 NiTi形狀記憶合金的性能</p><p>　　形狀記憶合金(SMA)的力學(xué)性能優(yōu)異，最早是從20世紀(jì)60年代開始作為一種新型功能材料被

65、人們系統(tǒng)研究，并成為一個獨(dú)立的科學(xué)分支，而最早為人們所認(rèn)識的形狀記憶合金是NiTi合金[19-22]。屈服應(yīng)力、斷裂應(yīng)力、延伸率是評價材料的可靠性指標(biāo)。NiTi合金的室溫屈服強(qiáng)度約為200MPa，δ=15%，αK=38J/cm2，斷裂強(qiáng)度為800~950MPa，屈服強(qiáng)度隨溫度上升而下降，在200~400℃達(dá)到約400MPa。記憶合金的一個重要特征就是斷裂強(qiáng)度大大高于屈服強(qiáng)度。表1.1是工業(yè)應(yīng)用廣泛的Ti-Ni合金有關(guān)的力學(xué)性能參數(shù)。&l

66、t;/p><p>　　表1.1 常用的Ni-Ti合金有關(guān)性能</p><p>　　形狀記憶合金之所以具有很高的消震能力和良好的抗疲勞性能，是因?yàn)閼?yīng)力誘發(fā)馬氏體相變的作用使得應(yīng)力集中得到弛豫。比如NiTi合金，在490MPa應(yīng)力下（比屈服強(qiáng)度高3倍）疲勞壽命達(dá)107周次，說明它的具有較高的抗疲勞性能；在2%總應(yīng)變時，Cu-Al-Ni的疲勞壽命比黃銅高2個數(shù)量級，這是由于應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變過程每

67、次循環(huán)的損傷累積較少，是很好的增強(qiáng)材料。</p><p>　　NiTi形狀記憶合金在壓應(yīng)力與拉應(yīng)力狀態(tài)下表現(xiàn)出的力學(xué)行為有著顯著的不同。不管NiTi形狀記憶合金處于母相還是處于馬氏體相，在壓應(yīng)力下都沒有出現(xiàn)如在拉應(yīng)力條件下的偽彈性現(xiàn)象。塑性變形隨著拉應(yīng)力的增加而增加的，但壓應(yīng)力下卻沒有觀察到壓應(yīng)力和壓應(yīng)變有著如上關(guān)系。這說明NiTi形狀記憶合金在拉應(yīng)力條件下的性能優(yōu)良，表現(xiàn)出了特殊的彈性，甚至它的彈性變形量與普通

68、碳素鋼相比高出1~2個數(shù)量級，而在壓應(yīng)力下，NiTi形狀記憶合金與普通碳素鋼無異，兩者呈現(xiàn)出類似的規(guī)律。</p><p>　　NiTi形狀記憶合金除了擁有優(yōu)異的形狀記憶效應(yīng)之外，通過一定的處理后甚至還能夠表現(xiàn)出優(yōu)異的超彈性。超彈性是指材料受到強(qiáng)大的外力作用使其產(chǎn)生的應(yīng)變量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于材料本身的彈性極限應(yīng)變量，去除外力之后材料能恢復(fù)到形變以前的初始狀態(tài)的現(xiàn)象，這是NiTi形狀記憶合金最引人注目的優(yōu)良特性之一。具有超彈性

69、的NiTi合金因?yàn)榭梢猿惺苓h(yuǎn)大于自身彈性極限應(yīng)變量的應(yīng)變，且彈力效應(yīng)恒定不變，故其適合作為航空航天領(lǐng)域及電子行業(yè)的零件材料。</p><p>　　NiTi形狀記憶合金的彈性滯后量較大，因此表現(xiàn)出優(yōu)異的阻尼性能，特別在拉應(yīng)力下的阻尼特性表現(xiàn)極好。與此同時，NiTi形狀記憶合金還擁有良好的塑性變形能力，它在發(fā)生脆性破壞前有很大的延伸量，總變形量可高達(dá)30%。</p><p>　　1.2.3 形

70、狀記憶效應(yīng)</p><p>　　普通的金屬材料在受外力作用時均表現(xiàn)為類似的力學(xué)行為：首先在外力作用下發(fā)生彈性變形，應(yīng)力-應(yīng)變遵循胡克定律，外力繼續(xù)增大達(dá)到材料的屈服極限時材料發(fā)生塑性變形，此時進(jìn)入一個屈服平臺，在屈服階段發(fā)生的塑性變形即使外力撤銷后仍然留下永久性變形。形狀記憶合金違背的普通金屬材料的力學(xué)規(guī)律，在其發(fā)生塑性變形后，當(dāng)溫度升高至某一特定溫度以上，其塑性變形量消失，材料回復(fù)到形變以前的初始狀態(tài)，這就是形

71、狀記憶效應(yīng)[23,24]。形狀記憶效應(yīng)在晶體中表現(xiàn)為：當(dāng)特定形狀的母相樣品由Af（奧氏體轉(zhuǎn)變結(jié)束點(diǎn)）以上冷卻至Mf（馬氏體轉(zhuǎn)變結(jié)束點(diǎn)）以下形成馬氏體之后，將馬氏體于Mf以下變形，經(jīng)加熱至Af以上，伴隨逆相變，材料會自動回復(fù)在其母相時的形狀。如圖1.1所示。</p><p>　　形狀記憶效應(yīng)能夠分為三種：</p><p><b>　?。?）單程記憶效應(yīng)</b></

72、p><p>　　在臨界溫度以下，合金可以變形至一個設(shè)定的馬氏體狀態(tài)時候的形狀，而在隨后的加熱轉(zhuǎn)變?yōu)槟赶鄷r，上述明顯的塑性變形恢復(fù)了，這便是單程形狀記憶效應(yīng)，因?yàn)橹挥袩釥顟B(tài)的母相形狀被記憶了。</p><p><b>　　（2）雙程記憶效應(yīng)</b></p><p>　　雙程形狀記憶效應(yīng)是指在熱狀態(tài)的母相形狀和一個獲得的冷狀態(tài)下的馬氏體形狀之間加熱和冷

73、卻所產(chǎn)生的可逆（雙程）自發(fā)的形狀變化，這種形狀記憶性能要求有一個溫度變化。雙程形狀記憶效應(yīng)和其他形狀記憶效應(yīng)之間最本質(zhì)的差別是雙程形狀記憶效應(yīng)的宏觀形狀變化時自然產(chǎn)生的，即沒有外力作用。</p><p><b>　?。?）全程記憶效應(yīng)</b></p><p>　　全程記憶效應(yīng)也屬于雙程形狀記憶效應(yīng)的一種，它指的是材料在升溫時恢復(fù)到高溫相的形狀，在降溫時恢復(fù)為低溫形狀，

74、此時材料形狀相同但取向相反[25-27]。</p><p>　　圖1.1 形狀記憶效應(yīng)示意圖</p><p>　　1.2.4 醫(yī)用NiTi形狀記憶合金</p><p>　?。ㄒ唬┽t(yī)用NiTi形狀記憶合金特點(diǎn)</p><p>　　NiTi形狀記憶合金由于具有良好的生物相容性、射線不透性、核磁共振無影響性和彈性模量接近人體骨骼的特性，以上諸多優(yōu)異

75、性能使其成為醫(yī)學(xué)上一種理想的生物工程材料。在過去的30年里，NiTi形狀記憶合金在牙科、骨科、介入治療、心內(nèi)科、婦科等醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中獲得了廣泛的應(yīng)用，包括牙齒矯正形絲、脊柱矯形棒、接骨板、心臟補(bǔ)片等[28]。</p><p>　　其醫(yī)學(xué)原理多數(shù)情況下是利用NiTi合金構(gòu)件在從體外狀態(tài)（處于環(huán)境溫度，如室溫或冰鹽水，伴有外界約束）轉(zhuǎn)變到體內(nèi)狀態(tài)（處于體內(nèi)，去除約束）過程中，構(gòu)件感知兩種條件之間具有差異，對材料內(nèi)部微觀晶

76、體結(jié)構(gòu)進(jìn)行改變或調(diào)整，宏觀上表現(xiàn)出形狀記憶或超彈性形狀恢復(fù)動作。所以醫(yī)學(xué)上通常先將NiTi形狀記憶合金冷卻到0℃的低溫馬氏體狀態(tài)下進(jìn)行預(yù)變形，因?yàn)轳R氏體狀態(tài)下的NiTi形狀記憶合金比較軟，易加工變性，可以制成容易植入體內(nèi)的形狀，然后將NiTi形狀記憶合金置入人體內(nèi)，當(dāng)NiTi形狀記憶合金接觸到人體體液時，溫度升高至人體溫，由于具備形狀記憶效應(yīng)，合金發(fā)生逆轉(zhuǎn)變，恢復(fù)到預(yù)定的的初始形狀，從而產(chǎn)生較大的回復(fù)力起到矯形和支撐的治療效果[29,3

77、0]。</p><p>　?。ǘ┽t(yī)用NiTi形狀記憶合金的臨床應(yīng)用</p><p>　　（1）介入醫(yī)學(xué)治療中的應(yīng)用</p><p>　　NiTi形狀記憶合金具有優(yōu)異的耐腐蝕和生物相容性，能制成食道支架、呼吸道支架、膽道支架、尿道支架等腔道支架。良好的耐腐蝕性使得NiTi合金植入人體后能夠抵抗體液的腐蝕損壞，良好的生物相容性使其又不會給人體帶來不良反應(yīng)[31]。&l

78、t;/p><p>　　NiTi形狀記憶合金還能制成顱骨成形板和固定釘，治療顱骨缺損。常見的修補(bǔ)材料有硅橡膠、有機(jī)玻璃、鈦板和不銹鋼等，但是它們各有不足之處，例如，硅橡膠和有機(jī)玻璃強(qiáng)度偏低，手術(shù)后保護(hù)功能較差；有機(jī)玻璃、鈦板和不銹鋼塑性較低，在手術(shù)現(xiàn)場塑型很難；鈦板和不銹鋼的導(dǎo)熱系數(shù)較大，使得患者局部對環(huán)境溫度變化比較敏感。而采用NiTi形狀記憶合金制作的顱骨成形板和固定釘可以解決上述材料手術(shù)時帶來的所有問題，只需要在

79、手術(shù)時將材料設(shè)定在指定溫度塑性，植入體內(nèi)達(dá)到人體溫度后即可自動恢復(fù)原形而起到固定作用。</p><p>　?。?）整形外科中的應(yīng)用</p><p>　　NiTi形狀記憶合金是作為牙科正畸和根管預(yù)備器械的良好材料。NiTi合金具有柔和、易變曲、回彈性好、矯形力不減小、成形性好的優(yōu)點(diǎn)，在牙科正畸產(chǎn)品方面有獨(dú)特的優(yōu)勢，可以制成矯治器中產(chǎn)生力量關(guān)鍵部位的牙齒矯形絲和彈簧等。而NiTi形狀記憶合金制

80、成的根管預(yù)備器械在柔韌性和耐消毒性方面有著不銹鋼無法超越的優(yōu)異性能，可以制成根管銼等醫(yī)用材料。</p><p>　　1.3 課題理論依據(jù)</p><p>　　單一的鎂鋰合金存在一定的缺陷，限制著其進(jìn)一步發(fā)展，例如鎂鋰合金強(qiáng)度較低、尺寸穩(wěn)定性（即抗蠕變性能）較差。并且僅僅通過目前的合金化方法，很難滿足快速發(fā)展的高新技術(shù)對輕質(zhì)材料的要求。金屬基復(fù)合材料的出現(xiàn)解決了這一難題，為改善鎂鋰合金的尺寸

81、穩(wěn)定性及提高其力學(xué)性能提供了新思路。</p><p>　　本研究設(shè)計(jì)概念的提出和建立是利用鎳鈦SMA纖維的形狀記憶效應(yīng)（SME）制備金屬基復(fù)合材料。根據(jù)復(fù)合材料的設(shè)計(jì)理念，被組合的復(fù)合材料的屈服應(yīng)力隨溫度的升高而增加。這種復(fù)合材料明顯地表現(xiàn)出機(jī)敏性，因此形狀記憶纖維相當(dāng)于一個增強(qiáng)高溫強(qiáng)度的應(yīng)變傳感器和一個強(qiáng)化元素。在形狀記憶纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中，纖維預(yù)先的在溫度低于Mf（馬氏體結(jié)束溫度）完成馬氏體不同結(jié)構(gòu)的重排，然

82、后他們被加熱到高于Af溫度（奧氏體結(jié)束溫度）從馬氏體相轉(zhuǎn)變至奧氏體相。在這一轉(zhuǎn)變期間，形狀記憶纖維趨向于收縮到在復(fù)合材料中的初始長度，從而在基體中產(chǎn)生壓應(yīng)力。這種在加工成型的基體中的殘余應(yīng)力對于在高溫下這種復(fù)合材料屈服強(qiáng)度的增加是一個關(guān)鍵因素。</p><p>　　在尋找合適的工藝時，真空熱壓工藝被應(yīng)用于目前的研究中。該加工技術(shù)是一種應(yīng)用抽真空后壓力燒結(jié)的技術(shù)。這種真空熱壓技術(shù)被普遍認(rèn)為十分具有吸引力，某種程度上

83、是因?yàn)榘宀闹械牡捅砻嬲婵斩冉档土宋廴疚锏漠a(chǎn)生趨勢[32-33]。</p><p>　　在本研究中，采用真空熱壓制備鎳鈦形狀記憶纖維增強(qiáng)鎂鋰合金復(fù)合材料，復(fù)合材料的基體是Mg-11Li鎂鋰合金。真空熱壓法是將待復(fù)合的基體和增強(qiáng)相加熱到特定的溫度，并且施加較大的初次下壓量進(jìn)行加壓變形，在高溫和高壓兩者同時作用下將兩種金屬復(fù)合在一起的一種制備方法。按照以往的經(jīng)驗(yàn)，采用熱壓法制備復(fù)合材料，首先是要將待復(fù)合的原始材料適當(dāng)?shù)?/p>

84、進(jìn)行表面預(yù)處理，以達(dá)到潔凈、活化金屬表面，最終增強(qiáng)界面結(jié)合的目的。</p><p>　　本課題采用熱壓復(fù)合法。熱壓復(fù)合法的基本原理是：由于強(qiáng)大壓力的作用，兩種待復(fù)合金屬的表面，尤其是較軟的金屬表面發(fā)生塑性變形，使得待復(fù)合金屬層表面發(fā)生破裂。然后表面經(jīng)過預(yù)處理的潔凈且活化的待復(fù)合金屬層從破裂的金屬待復(fù)合表面露出，在強(qiáng)大的壓力和高溫綜合作用下，形成平面狀的冶金結(jié)合[34]。最后，熱壓過程中結(jié)合面不斷擴(kuò)張，直到整個復(fù)合

85、材料的界面形成牢固的結(jié)合。熱壓復(fù)合和單一的金屬板軋制復(fù)合的根本差異在于必須施加極大的初始道次的下壓量，促使待復(fù)合的異種金屬表面物理接觸。而本實(shí)驗(yàn)中既有兩塊鎂鋰合金基體板之間的復(fù)合，也存在鎂鋰合金基體和NiTi合金纖維的復(fù)合，所以應(yīng)該加大初始壓力使得兩塊鎂鋰合金板之間的距離減小。</p><p>　　研究中采用的NiTi合金絲具有非常高的強(qiáng)度及模量，是整個復(fù)合材料受外力作用時主要的承載體，明顯的增強(qiáng)了鎂鋰合金基體的

86、強(qiáng)度。鎂鋰合金基體主要起著固定NiTi合金纖維、傳遞載荷的效果。其中，沿著NiTi形狀記憶合金纖維排布的軸向性能高于橫向性能。熱壓復(fù)合時界面復(fù)合機(jī)制非常復(fù)雜，關(guān)于這方面的研究也是一個長期爭論的研究課題?，F(xiàn)在得到公認(rèn)的機(jī)制有：擴(kuò)散機(jī)制、表面層裂縫機(jī)制、再結(jié)晶機(jī)制等[35,36]。</p><p>　　本課題利用真空熱壓法，使NiTi形狀記憶合金纖維與Mg-11Li合金板復(fù)合在一起，利用NiTi形狀記憶纖維的形狀記憶

87、的效應(yīng)，在復(fù)合材料中產(chǎn)生壓應(yīng)力，使復(fù)合材料的拉伸性能提高，可使內(nèi)部的損傷裂紋自動閉合[37]。</p><p>　　1.4 NiTi形狀記憶合金絲增強(qiáng)Mg-11Li合金復(fù)合材料設(shè)計(jì)思路</p><p>　　由于復(fù)合材料中的Mg-11Li合金基體和增強(qiáng)相NiTi合金絲的熱膨脹系數(shù)相差甚遠(yuǎn)，兩者制成的復(fù)合材料通過高溫成型處理且冷卻至室溫后，在Mg-Li合金基體中會產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力或者殘余壓應(yīng)力。

88、其中，我們通常認(rèn)為基體中的殘余壓應(yīng)力可以提高復(fù)合材料的屈服應(yīng)力和斷裂韌性，是有益因素。所以，在該復(fù)合材料設(shè)計(jì)中如果使得增強(qiáng)組元熱膨脹系數(shù)得以提高，那么可能獲得力學(xué)性能較高的NiTi合金絲增強(qiáng)Mg-11Li合金基體復(fù)合材料。</p><p>　　SMAs在馬氏體狀態(tài)非常容易變形，而變形后如果受到約束并加熱，則會產(chǎn)生較大的回復(fù)力，其強(qiáng)度和韌性、彈性模量都會得到成倍提高。因此，本研究采用真空熱壓法將NiTi形狀記憶纖維

89、復(fù)合到Mg-11Li基體中去，在熱壓過程中，NiTi纖維將會在基體內(nèi)產(chǎn)生壓應(yīng)力，使得復(fù)合材料的拉伸性能提高，抑制裂紋的擴(kuò)展。</p><p>　　圖1.2 金屬基SMAs復(fù)合材料設(shè)計(jì)思路</p><p>　　1.5 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀</p><p>　　已開發(fā)的各種纖維增強(qiáng)塑料和高性能纖維相繼開發(fā)給20世紀(jì)60年代的纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的研究帶來了靈感和啟發(fā)。196

90、3年公布了鎢纖維增強(qiáng)銅（W/Cu）復(fù)合材料的研究，之后又有另一個SiC/Al、Al2O3/Al復(fù)合材料的研究報(bào)告；1978年美國最先報(bào)道了B/Al復(fù)合材料在哥倫比亞航天飛機(jī)上的應(yīng)用；1982年日本豐田公司率先報(bào)道了Al2O3?SiO2/Al復(fù)合材料用于汽車活塞上，開創(chuàng)了金屬基復(fù)合材料用于民用品的先例；之后金屬基復(fù)合材料的研究日趨活躍，相繼研究了多種纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料，如C/Cu、C/Mg、SiCw/Al等，某些已在航空航天、汽車工業(yè)

91、等獲得應(yīng)用。</p><p>　　日本大阪工業(yè)研究所的研究人員用NiTi形狀記憶合金絲增強(qiáng)鎂合金制備鎂合金基復(fù)合材料。研究中采用的基體材料是AZ31鎂合金板，規(guī)格為厚12mm×寬20mm×長65mm，絲狀NiTi形狀記憶合金作為復(fù)合材料的強(qiáng)化相（成分為原子百分?jǐn)?shù)Ti為50.3%，絲直徑為1mm)。鎂合金成分含量為：Al的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.167%、Zn質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.92%、Mn質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.413

92、%、Fe質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.005%，其余的成分均為Mg。該研究采用傳統(tǒng)的碳模具，利用脈沖電流熱壓（簡稱PCHP法）燒結(jié)裝置制備鎂合金復(fù)合材料。制備復(fù)合材料的原始材料是經(jīng)過表面預(yù)處理的兩塊鎂合金板和一系列的等長NiTi纖維，將NiTi形狀記憶纖維每間隔1mm均勻平行的排列在鎂合金板的表面，另外在上方再疊放另一塊相同的鎂合金板。在一定持續(xù)的高壓下斷續(xù)的對組合板通以最大可達(dá)2000A的強(qiáng)電流，于是在鎂合金基體/NiTi合金絲的接觸點(diǎn)周圍產(chǎn)生強(qiáng)烈的

93、火花放電，使得接觸點(diǎn)處瞬間形成1000~10000K的局部高溫狀態(tài)。通過研究所制備的復(fù)合材料的微觀組織和高溫性能后，結(jié)果表明：（1） 對組合的鎂合金板和NiTi纖維施加32MPa的壓力，設(shè)置升溫速度</p><p>　　國內(nèi)對于NiTi形狀記憶合金絲增強(qiáng)鎂鋰合金還尚未報(bào)道，但我國從1978年開始研究形狀記憶合金，1979年開始與醫(yī)生合作，進(jìn)行醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)研究，1980年開始應(yīng)用于臨床?？梢哉f，近兩年形狀記憶合金在國內(nèi)

94、發(fā)展很快，臨床應(yīng)用范圍越來越廣。</p><p>　　1.6 研究目的及主要研究內(nèi)容</p><p>　　1.6.1 研究目的</p><p>　　鑒于鎂鋰合金質(zhì)輕的獨(dú)特優(yōu)勢，鎂鋰合金材料在軍事、航空、航天等領(lǐng)域都已經(jīng)得到了一定范圍內(nèi)的應(yīng)用，但是，強(qiáng)度低制約了鎂鋰合金的進(jìn)一步發(fā)展。本文采的真空熱壓法制備出NiTi形狀記憶合金增強(qiáng)Mg-11Li合金，使鎂鋰合金的強(qiáng)度大

95、幅度提高，有望開拓鎂鋰合金應(yīng)用的新領(lǐng)域。本文的制備方法目前在國內(nèi)尚未見報(bào)道，這是本課題的創(chuàng)新點(diǎn)所在。</p><p>　　1.6.2 研究內(nèi)容</p><p>　　本課題采用真空熱壓法制備NiTi形狀記憶纖維增強(qiáng)Mg-11Li合金復(fù)合材料，研究加熱溫度、保溫時間、纖維體積分?jǐn)?shù)對復(fù)合材料界面結(jié)合情況和力學(xué)性能的影響。主要開展以下五個方面的工作。</p><p>　　1

96、)復(fù)合材料金相組織的分析</p><p>　　采用金相顯微鏡對復(fù)合材料的基體、增強(qiáng)纖維、復(fù)合界面的金相組織進(jìn)行觀察，分析各工藝下相組成和晶粒大小的區(qū)別。</p><p>　　2) 復(fù)合材料界面的形貌和成分分析</p><p>　　通過掃描電鏡對復(fù)合材料的結(jié)合面及微區(qū)進(jìn)行更為細(xì)致的觀察，探究界面的結(jié)合情況，分析影響界面結(jié)合質(zhì)量的主要因素。通過能譜測試微區(qū)成分元素種類與

97、含量，分析界面過渡層的元素分布。</p><p><b>　　X射線衍射分析</b></p><p>　　利用X射線衍射儀對復(fù)合材料界面進(jìn)行定性分析和定量分析。</p><p>　　復(fù)合材料力學(xué)性能測試</p><p>　　利用電子萬能試驗(yàn)機(jī)對復(fù)合材料標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣進(jìn)行拉伸測試，從而分析不同加熱溫度、保溫時間、纖維體積分?jǐn)?shù)

98、對復(fù)合材料力學(xué)性能的影響。</p><p>　　示差掃描量熱法（DSC） </p><p>　　采用示差掃描量熱儀對真空熱壓前后NiTi合金絲進(jìn)行相組成分析。</p><p>　　第2章　實(shí)驗(yàn)材料與方法</p><p>　　2.1 實(shí)驗(yàn)材料及藥品</p><p>　　由于金屬鋰的加入，鎂從密排六方結(jié)構(gòu)向體心立方轉(zhuǎn)變。

99、鋰作為合金化元素，使得鎂鋰合金的密度低于鎂的密度。根據(jù)圖2.1鎂鋰合金二元相圖所示，鎂和鋰之間具有較大的固溶度，由鋰含量的不同，可分為α相合金﹑(α+β)相合金和β相合金。α相合金的Li含量小于5.7wt%，具有密排六方結(jié)構(gòu)；Li含量在5.7%-10.3%時，合金具有(α+β)兩相組織，此時合金中出現(xiàn)了bcc結(jié)構(gòu)的深色β相；Li含量大于10.3%時，合金由(α+β)雙相區(qū)向β單相區(qū)過渡，并且具有體心立方結(jié)構(gòu)。眾所周知，鎂合金由于具有密排

100、六方結(jié)構(gòu)，所以滑移系少，加工變形能力差；合金中體心立方結(jié)構(gòu)的β相出現(xiàn)，能使合金的滑移系增加，從而使合金的塑性得以改善。具有體心立方結(jié)構(gòu)的β單相鎂鋰合金，在較低溫度下即可變形加工，表明其延展性優(yōu)良[3]。</p><p>　　圖2.1 鎂鋰合金二元相圖</p><p>　　本研究采用的基體材料是Mg-11Li合金，厚度約為0.8mm，其具體的化學(xué)成分如表2.1所示。經(jīng)過拉伸試驗(yàn)機(jī)測試其拉伸強(qiáng)

101、度為145MPa，其金相組織照片如圖2.2所示，顯然Mg-11Li合金顯微組織中只有深色的富鋰β單相固溶體晶粒，沒有觀察到淺色的α相。并且我們后續(xù)在對Mg-11Li合金的預(yù)處理中發(fā)現(xiàn)，該種成分的鎂鋰合金易于切削和加工。</p><p>　　表2.1 Mg-11Li合金板化學(xué)成分（wt%）</p><p>　　圖2.2 Mg-11Li合金的金相組織照片</p><p>

102、;　　實(shí)驗(yàn)所用的NiTi形狀記憶合金由為西安賽特金屬材料開發(fā)有限公司提供，絲直徑為0.5mm左右，為絲狀材料，拉伸強(qiáng)度1100MPa。其具體的化學(xué)成分和相變溫度分別如表2.2、2.3所示。</p><p>　　表2.2 NiTi合金絲化學(xué)成分（wt%）</p><p>　　表2.3 NiTi形狀記憶合金絲相變點(diǎn)（K）</p><p>　　表2.4列出了本課題所用的其

103、他實(shí)驗(yàn)試劑及純度等級。</p><p>　　表2.4 其它試劑及純度</p><p><b>　　2.2 實(shí)驗(yàn)儀器</b></p><p>　　2.2.1 真空熱壓爐</p><p>　　實(shí)驗(yàn)所用設(shè)備為錦州華新電力電子有限公司生產(chǎn)的ZRY-60-30真空熱壓燒結(jié)爐，額定壓力為30t，額定溫度1000℃，極限真空度為6.6

104、7×10-3Pa，圖2.3所示為真空熱壓爐結(jié)構(gòu)圖，本設(shè)備由爐體、真空系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、水冷系統(tǒng)組成。</p><p>　　圖2.3 真空熱壓爐結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　2.2.2 X射線衍射儀</p><p>　　X射線是利用衍射原理，即選擇性反射，確定物質(zhì)的晶體結(jié)構(gòu)，織構(gòu)以及應(yīng)力。通過X射線衍射可以對物質(zhì)進(jìn)行物相分析、定性分析和定量分析。</p&g

105、t;<p>　　特征X射線及其衍射X射線是一種波長（0.06~20nm）很短的電磁波，能穿透一定厚度的物質(zhì)。用高能電子束轟擊金屬靶產(chǎn)生X射線，它具有靶中元素相對應(yīng)的特定波長，稱為特征X射線。對于晶體材料，當(dāng)待測晶體與入射束呈不同角度時，那些滿足布拉格衍射的晶面就會被檢測出來，體現(xiàn)在XRD圖譜上就是具有不同的衍射強(qiáng)度的衍射峰。</p><p>　　大部分金屬的晶面間距為0.2~0.3nm，當(dāng)選用的X射

106、線的波長與晶體中原子面之間的距離接近，晶體就能作為X射線的空間衍射光柵，即一束X射線入射到物體表面時，X射線必然被物體內(nèi)部的原子向四面八方散射，每個原子都產(chǎn)生散射波，所有不同晶面上滿足布拉格定律（2-1）的散射波位向完全相同，其振幅將會相互加強(qiáng)。這樣，在與入射線成2θ角的方向就會出現(xiàn)相長干涉，在其他方向上的上的散射線振幅相互抵消出現(xiàn)相消干涉。</p><p>　　2dsinθ=nλ

107、 （2-1）</p><p>　　上述布拉格方程有兩種用途，一是利用已知波長的特征X射線，通過測量θ角，可以計(jì)算出晶面間距d，或者利用已知晶面間距d的晶體，通過測量θ角，計(jì)算出未知X射線的波長；二是通過一次X射線照射試樣并放出二次特征X射線判定其波長以確定試樣的原子序數(shù)。</p><p>　　本實(shí)驗(yàn)采用的是日本理學(xué)公司生產(chǎn)的TTRIII型X射線衍射儀對樣品進(jìn)行測定，銅靶，X射線波