一、阻尼合金的發(fā)展和應用
降低結構振動和噪聲的方法通常有3種：增加結構的質量和剛性，以減少振幅。減少結構共振；采用高阻尼材料實現(xiàn)吸振和隔振。高阻尼材料通常分為2類：一種是有機材料及其系
統(tǒng)，另一種是金屬材料及其系統(tǒng)。金屬阻尼材料的強度和硬度高，適合各種結構減振。
阻尼、超塑性和形狀記憶性能是材料的3大功能特性，阻尼能夠將材料的機械振動能量通過內部耗散機制不可逆地轉變?yōu)槠渌问降哪芰浚鐭崮芑蚵暷堋＝饘俨牧系淖枘峁δ芴匦缘玫搅藦V泛應用，具有十分重要的研究和應用價值。1964年，Birchon首先提出高阻尼金屬材料“HIDAMETS”(HighDampingMetals)，高阻尼金屬材料開始成為解決振動問題的一種候選方案。高阻尼金屬“HIDAMETs”或高阻尼合金“HIDALLOYS”，其阻尼性能優(yōu)良(內耗值Q1≥lO。2)。1960年，美國將錳銅(MnCu)合金用于軍事用途，如用于制造潛艇、魚雷和艦船螺旋槳，并注冊“Sonostone”商標，該合金也被用于降低挖掘機的聲壓級，降低了約7dB，該合金被制成螺栓后用于潛艇和碎石機，使其聲壓水平降低約l／5。
日本開發(fā)了鐵鉻(FeCr)合金和鐵鋁硅(FeAlSi)合金等阻尼合金，注冊商標為“silentalloy。和“serenal等，主要用于鐵路和船舶工業(yè)。阻尼合金在減振降噪方面有廣闊應用前景，但高強度阻尼合金的阻尼性能普遍偏低，遠不能滿足很多高阻尼要求的場合使用，因此需要解決阻尼合金的阻尼性能和力學性能匹配問題。
材料的阻尼性能是結構與機械設計中的重要性能，涉及機械共振、疲勞、噪聲、儀器滯后現(xiàn)象和循環(huán)應力下的發(fā)熱等問題。在交變載荷作用下，材料或結構往往在小于其屈服應力的情況下發(fā)生疲勞失效，但高阻尼材料的應用能夠降低材料疲勞變形的水平，從而減低疲勞危害。對易受疲勞破壞的部件，如汽輪機的葉片，改用鎳基高阻尼合金制造后，使用壽命可以成倍增加。對容易產生振動和噪聲的結構，如發(fā)動機和機床等，其底座或外殼一般都采用鑄鐵或鑄鋁，以達到提高阻尼、降低振動和噪聲的目的。用高阻尼合金制造的切削刀具，由于振動幅度小，既能減小噪聲又能提高機械加工的精確度。
近年來，國內外對阻尼合金的研究發(fā)展得都很快，并取得了顯著進展，阻尼合金在航空航天工業(yè)，汽車工業(yè)、家電行業(yè)、船舶工業(yè)已經(jīng)得到廣泛應用。我國在阻尼合金的研制和
應用方面取得了一些成果，如我國用“2310”MnCu合金制造潛艇螺旋槳可使噪聲降低5～10dB，振動降低3～10dB l洛陽銅加工廠(現(xiàn)洛陽銅加工廠集團有限責任公司)研究成功了MnCu三元合金，并在船舶工業(yè)中進行應用試驗；北京航空材料研究院運用快速凝固／粉末冶成功研制出鋁合金／鋁、鋁合金／鋅鋁2種系列的低密阻尼金屬復合材料。華東船舶工業(yè)學院制備了高阻尼的銅鋁鈹(CuAlBe)形狀記憶合金，并研究了該合金在艦艇螺旋槳上應用的可行性。歐盟委員會資助的。MansideProjeet”是開發(fā)形狀記憶合金阻尼性能的最大專項研究，內容包括裝置和結構理論設計、材料表征和零件設計、零件結構和測試、阻尼系統(tǒng)測試，近年來對鈦鎳(TiNi)，銅鋅鋁(CuZnAl)和銅鋁鈹合金的阻尼特性進行了研究。從20世紀80年代至今，我國先后有哈爾濱工業(yè)大學、北京航空材料研究院、西北有色金屬研究院、北京有色金屬研究總院等多家單位對TiNi形狀記憶合金進行了較深入的研究，取得了大量實驗數(shù)據(jù)，在TiNi合金的成分設計、材料加工、產品開發(fā)應用，包括常規(guī)力學性能、超彈性、記憶性能、阻尼性能、疲勞性能的表征評價方法和測試系統(tǒng)等方面取得了豐碩的成果。我國研究人員還對超彈型和馬氏體型高阻尼TiNi形狀記憶合金進行了初步研究。
TiNi基形狀記憶合金和MnCu基形狀記憶合金的熱彈性馬氏體表現(xiàn)出很優(yōu)異的減振能力，比傳統(tǒng)的結構金屬材料至少要高1個數(shù)量級。TiNi和MnCu合金是孿晶阻尼特性最好的2
種高阻尼材料，MnCu合金已經(jīng)廣泛應用于艦船的水下減振降噪，而TiNi合金具有比MnCu合金更優(yōu)異的力學性能(延伸率)、斷裂強度、耐腐蝕性能，是目前應用最廣泛的形狀記憶材料，但是由于該合金在馬氏體狀態(tài)的屈服強度較低，其作為高阻尼材料的應用受到極大限制。如果在保持阻尼性能的同時，顯著提高材料的屈服強度，將會拓寬合金的應用領域。針對材料的阻尼性能和屈服強度不匹配的問題，許多學者提出采用金屬基復合材料提升阻尼材料的屈服強度。在形狀記憶合金作為阻尼材料的開發(fā)利用上，通常需要注意到以下2點：一是使材料在馬氏體狀態(tài)下使用，即合金的馬氏體相變的終了溫度高于工作溫度，二是增加相變內耗峰的寬度，使材料能在更寬的溫度范圍內工作。
二、形狀記憶合金阻尼機制
阻尼的本質是把機械能轉換為熱能，抑制合金部件傳遞連續(xù)、等幅的應力沖擊。形狀記憶合金把機械能轉換為熱能主要有3種機制，即內耗機制、馬氏體孿晶再取向機制、應力誘發(fā)馬氏體機制，每種機制適用于不同的頻率范圍、溫度和應力／應變能，因此，應根據(jù)每種機制的限制和應用需求來考慮阻尼部件的使用機制。
內耗機制(Intemal Friction，IF)是指能量吸收機制在于馬氏體和奧氏體界面、或者馬氏體變體界面間的滑移，發(fā)生的溫度范圍窄，界面運動能壘非常低。內耗機制的特征是每次
應力循環(huán)吸收能量特別小，其作用頻率范圍特別大，但高內耗溫度范圍窄(約15～20℃)，這限制了該機制的阻尼應用只能在預先確定的溫度范圍內和某些振動范圍內工作。雖然內耗機制能吸收的應變非常小，但在高頻率下的工作效果非常有效，因此適合于聲音或機械振動阻尼應用，應用的形式可以是板材，用于產生噪聲部位的密封。或連接振動部件到系統(tǒng)。通常，TiNi合金在馬氏體相和兩相區(qū)都具有出色的阻尼性能，通過動態(tài)粘彈試驗DMA三點彎曲法測試出TiNi合金的兩相區(qū)阻尼值tan 6最高達到0.17。
馬氏體孿晶再取向機制是指馬氏體變形首先以孿晶的再取向方式發(fā)生，即在施加的變形條件下不利取向的變體消失，有利取向的變體則長大。這個過程的局限在于，所有的孿晶
變體將協(xié)調趨向于形成一個最有利于變形的單一變體。形狀記憶合金的孿晶變體的變化，既沒有損壞作用也沒有加工硬化，與傳統(tǒng)材料的位錯滑移機制不同，這種變形的變形量大，可回復，并且可反向壓縮相同的應變達到幾千次而不產生破壞和失效。在多晶TiNi合金中，單軸拉伸應變達8％，馬氏體孿晶再取向的變形應力與相變溫度滯后密切相關。對于二元TiNi合金。滯后約為25—30℃．相變溫度附近的變形應力約為100～150MPa。添加少量銅后，滯后約為lO℃，變形應力急降到30一50MPa。但是。含銅TiNi合金的孿晶再取向的變形內耗極低，使其對變形的能量吸收也非常低．因此不適合做阻尼合金。相反。添加鋯和鉿的Ti N i合金。其相變滯后增加，同時相應增加孿晶再取向的變形應力，因此更具作為阻尼材料的潛力。雖然馬氏體經(jīng)過幾千次拉伸和壓縮循環(huán)，應力和應變行為不會有顯著改變，但是在反復的循環(huán)條件下，如果不能有足夠的冷卻，由于變形生熱而導致
溫度高于相變溫度時就會出現(xiàn)問題。因此，馬氏體型阻尼器的主要缺陷在于變形后應變不能回復原狀，阻尼器和整體結構必須靠外力回復到原來的形狀。這些表明馬氏體變形機制阻尼器須附帶能往復變形的機構。
應力誘發(fā)馬氏體機制的特征是：超彈性應力一應變曲線上顯示出誘發(fā)馬氏體的應力遠高于馬氏體逆相變的應力，形成了開環(huán)旗幟形狀的曲線。在應力誘發(fā)馬氏體作為阻尼應用條件下，需要進行幾百次的應變循環(huán)以穩(wěn)定TiNi合金的這種行為，以保證精確的原始尺寸的復原。超彈型阻尼裝置的主要特征是：在變形后，形狀記憶合金有強大的驅動力能回復到原始形狀，因此阻尼器和附帶的結構能還原到初始形狀。盡管超彈型形狀記憶合金的回復應變范圍很大，拉伸狀態(tài)可達8％，壓縮狀態(tài)可達12％，但是，最初1.5％～批的應變遵守Hookian彈性模式，沒有能量吸收，直到超過這個應變水平，超彈型形狀記憶合金在該應力和最大應力之間循環(huán)才可以吸收能量，因此，通過適當機構設計就可獲得拉伸和壓縮阻尼裝置。和馬氏體變形不同，超彈型阻尼器有利于使用長、細、薄的器件，如長絲、薄片，在等軸狀態(tài)拉伸，然后當拉伸力卸載時，回復到原始形狀，由于加工量大，組織細化，這種應用形式具有最好的機械性能。形狀記憶合金絲材的拉仲應力一應變行為在經(jīng)過初始循環(huán)后改變很大，需要幾百次循環(huán)才能達到完全循環(huán)穩(wěn)定。
三、TiNi形狀記憶合金阻尼構件的應用
TiN i形狀記憶合金不僅具有大變形回復和能量消耗能力，而且強度高、抗疲勞、抗腐蝕和耐磨性能好，是結構振動控制的理想阻尼材料。TiNi合金在振動控制領域的應用表現(xiàn)為不
同的應用形式，以起到吸振、隔振的作用。其中，TiNi合金金屬橡膠是由形狀記憶合金絲制成，其制造過程是先將超彈性的形狀記憶合金絲材繞成螺旋狀，然后再拉伸放入模具中預壓成型。在受到外界的振動與位移激勵時，金屬橡膠內部的TiNi金屬絲之間發(fā)生千摩擦、應力誘發(fā)馬氏體相變和彈性儲能，從而耗散能量，起到減振和緩沖作用，同時彈性儲能起到復進和回復原形的作用。TiNi合金金屬橡膠的優(yōu)點是可以制成各種復雜形狀，占用空間體積小，具有較高的阻尼特性，同時，形狀記憶合金絲材具有較高的疲勞性能，可持續(xù)減振；但是在承受較大沖擊條件下，合金幺幺材易斷裂，降低減振效果。TiNi合金金屬橡膠的典型應用是管路固定，也可廣泛用于阻尼、減振、密封、過濾、節(jié)流及吸聲降噪等
用途。研究表明，與普通金屬橡膠力學特性相比，TiNi合金金屬橡膠的遲滯回線包含的面積明顯大于普通金屬橡膠，說明形狀記憶合金結構的遲滯阻尼性能要優(yōu)于金屬橡膠構件，能量耗散能力要比普通金屬橡膠高出10％；并且形狀記憶合金構件的剛度小于金屬橡膠，其遲滯特性比較穩(wěn)定。
TiNi形狀記憶合金錐形阻尼器可用于土木工程結構或海洋平臺結構，振動發(fā)生后，工程結構發(fā)生側向變形，阻尼器也相應向側向發(fā)生運動，由于受剪切而發(fā)生變形，當位移大時阻
尼器本身進入超彈性，由于形狀記憶合金的可回復應變大，所以能發(fā)生很大的剪切變形，當卸載時，阻尼器又回復原來的形狀，從而消耗能量，起到限位和耗能的作用。TiNi形狀記憶合金錐形阻尼器具有耐腐蝕、抗疲勞、超彈性、壽命長，能有效消耗地震能量，減少地震給土木工程結構或海洋平臺結構帶來損傷的優(yōu)點。
TiNi形狀記憶合金材料制成的阻尼器多是以超彈性絲材為主的拉索型阻尼器，具有自復位功能，其工作原理是：將處于母相的超彈性絲或者彈簧復合在構件中，振動時載荷促使合金發(fā)生超彈性變形，從而吸收大量振動能量。超彈性絲材應力一應變曲線上，超彈性應變量可達8％，滯回曲線面積大，殘余應變小，展現(xiàn)出較好的阻尼耗能能力和自復位能力。超彈性絲材在超彈性滯回耗能曲線的應力水平之間循環(huán)可吸收能量，通過適當機構設計可獲得拉伸和壓縮阻尼性能。超彈性絲材阻尼器具有抗疲勞好、抗蝕性強、可回復變形大及性能穩(wěn)定等優(yōu)良特性；但是，這種阻尼器在實際工程應用中有一定的局限性，是由于實際工程需要的阻尼力和耗能量都很大，超彈性絲材阻尼器為滿足上述要求就必須增大截面面積或阻尼器尺寸，需占用較大的空間，結構設計復雜。
超彈性形狀記憶合金復合摩擦阻尼器是一種有應用潛力的工程結構減振控制裝置，能對工程結構提供阻尼耗能作用和輸出控制力，以被動控制結構的振動；同時，阻尼器與結構
共同運動過程中，在不同的位移狀態(tài)下具有變剛度的特性。在利用形狀記憶合金的超彈性阻尼和內、外滑條的接觸面上的相互摩擦來耗散能量的同時，超彈性形狀記憶合金復合摩擦阻尼器還對工程結構產生一定的輸出力和提供變剛度，而且具有抗疲勞性好、阻尼能力強、可回復變形大及性能較穩(wěn)定等優(yōu)點。TiNi合金具有較高的抗磨損性能，適合做摩擦阻尼減振器：一方面，應力誘發(fā)馬氏體相變引起超彈性作用，在外力作用下，處于超彈性狀態(tài)的母相發(fā)生馬氏體相變，而當外力消失后，馬氏體發(fā)生逆相變重新轉變?yōu)槟赶啵@種相結構的變化可以有效地耗散外界作用在材料表面的能量，使TiNi合金中損傷能量的累積很低；另一方面，馬氏體的相互協(xié)調導致高彈性，在磨損過程中，合金中的馬氏體變體在外力作用下重新取向，部分應變能由于其相互協(xié)調而被消除，既使達到較高的應變，馬氏體變體亦很難發(fā)生相互滑移，組織中不易形成位錯，合金中損傷能量的累積同樣較低。在磨損過程中，具有母相結構的合金的變形主要以應力誘發(fā)馬氏體的相變及逆相變方式進行，而馬氏體的變形主要通過孿晶界的移動方式進行，TiNi合金的超彈性對提高其抗磨性能具有重要作用。
除了利用TiNi合金的形狀記憶效應對結構振動進行被動控制，利用形狀記憶效應還可實現(xiàn)對結構的主動控制或半主動控制。將馬氏體狀態(tài)的形狀記憶合金幺幺材(棒材、板材)安裝
到驅動裝置或埋在結構中，利用其形狀記憶效應和電阻特性，通過對形狀記憶合金絲材(棒材、板材)通電或外部加熱，使材料發(fā)生馬氏體相變，材料受限凹復時將產生很大的同復力或者受熱發(fā)牛部分相變。調整復合材料或結構的振動頻率。通過控制改變TiNi形狀記憶合金的馬氏體含量，可以對懸臂梁自由振動進行控制。在鶯復載荷作用下，混合相TiNi絲能夠提供較大較穩(wěn)定的阻尼，奧氏體相的阻尼隨溫度升高變化較大，而馬氏體相和混合相阻尼隨溫度變化較小，且混合相的阻尼能夠在相對較大的溫度范圍內保持穩(wěn)定。超彈性Ti N i合金棒材和板材，由于尺寸較大而導致其耗能能力降低，但復位性、抗疲勞性好，因此更適宜用作隔振系統(tǒng)的限位裝置和構件錨固件。馬氏體相的大尺寸TiNi形狀記憶合金，能吸收較大的能量，可作為耗能元件，但其殘余變形需加熱回復。
在土木工程領域，將常溫下預應變的TiNi合金絲粘貼在構件易產生裂紋或應力集中較大的地方。或將其埋入結構構件中，在載荷作用下，通過監(jiān)測TiNi合金絲的電阻值，可以了解
構件內部應力或應變的變化，從而自診斷材料的損傷；通電加熱TiNi絲或利用其超彈性產生回復力，可以減少裂紋的應力集中，降低裂紋擴展速率，最終使裂紋愈合，從而起到傳感和驅動作用，實現(xiàn)結構無冗余智能控振。在土木工程和航空航天領域，可將TiNi合金與其它材料復合形成高阻尼的復合防振材料，達到減振降噪的作用。
TiNi形狀記憶合金智能復合材料，特別是智能混凝土，可有效提高結構的抗震、抗毀性能，是土木工程防災減災的發(fā)展方向。
四、形狀記憶合金阻尼材料和結構阻尼性能設計思路
為了開發(fā)性能更為優(yōu)良的阻尼器用于結構的減振控制，選用高性能材料并進行合理的陲l尼器結構設計是有效途徑之一。形狀記憶合盒不儀具有很高的l川復驅動力。而f1I在商溫下的超彈性及低溫下的形狀記憶效應都具有高阻尼的特性。超彈型形狀記憶合金可制作出工程結構減振控制阻尼器．且制作出的阻尼器具有抗疲勞性好、阻尼能力強、可回復變形大及性能較穩(wěn)定等優(yōu)點。各種相關研究結果表明，形狀記憶合金具有成為優(yōu)異阻尼器材料的潛能。形狀記憶合金在每次應變循環(huán)內吸收的能鼉高，服役的頻率和溫度范圍能滿足要求，穩(wěn)定性和壽命都能被接受，可以加工成任何形狀。但是，目前形狀記憶合金在土木工程、海洋平臺等領域的研究還局限于理論研究和試驗階段。
為推動形狀記憶合金阻尼材料和結構在實際工程中的應用，還需通過材料和結構設計、阻尼功能設計、振動試驗數(shù)據(jù)采集和模擬計算比對，使設計出的材料和結構能夠達到不同減振需求的阻尼性能指標。根據(jù)超彈型和馬氏體型TiNi合金阻尼特性，開發(fā)絲材、棒材、板材、彈簧等不同形式的阻尼結構設計和應用，開發(fā)鈦鎳銅(TiNiCu)基、鈦鎳鉿(TiNiHf)基、鈦鎳鉑(TiNiPt)基等高溫、高強、高阻尼TiNi合金材料，研究其阻尼機理及應用基礎，加強TiNi基高阻尼合金材料及結構設計方面的知識產權保護和應用推廣。針對形狀記憶合金阻尼材料力學性能和阻尼指標匹配的問題，需要突破使用溫度限制，優(yōu)化結構設計，需進一步加強基礎研究，建立不同溫域合金的阻尼性能和力學性能數(shù)據(jù)庫，建立針對不同使用要求和環(huán)境的材料及結構阻尼性能測試標準，建立充分考慮使用要求和環(huán)境的測試平臺與設備系統(tǒng)，開發(fā)不同基體和不同耦合體的復合體材料，并表征測試阻尼特性與力學行為，研究不同載倚、頻率和環(huán)境溫度塒形狀記憶合金材料和結構的力學性能與阻尼行為的影響規(guī)律。
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