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1、SMA應用對航空工業(yè)的重要性 SMA應用對航空工業(yè)的重要性 2012/09/20 本文作者：曾少鵬萬小軍彭文屹單位：江西省政府辦公廳南昌大學材料科學與工程學院 1形狀記憶效應和超彈性 1．1形狀記憶效應 SME的本質(zhì)可以更好地從應力-溫度相圖解釋，如圖1。有實驗驗證了沿σ-ε-T的加載途徑，如圖2顯示了NiTi合金絲驅(qū)動器真實的加載途徑。在加載的開始階段(圖1和2中的A)，SMA處于母相奧氏體相。去除應力后，冷卻的SMA會轉(zhuǎn)變?yōu)閷\生或自協(xié)作態(tài)的馬氏體相(圖1和2中的

2、B)。加載應力會使馬氏體相發(fā)生重構(gòu)，同時還觀察到大的宏觀應變(圖1和2中的C)，某些Ni-Ti合金在應變量為8%時就能看到［3］該宏觀應變。卸載時，應變中的彈性部分得到恢復，因非孿晶馬氏體的穩(wěn)定性，非彈性部分仍然存在，如圖1和2中D所示。在無外力時對SMA加熱，溫度達到As時會發(fā)生向奧氏體母相轉(zhuǎn)變的逆相變(點E)，在Af溫度完成(點F)。由于重構(gòu)，彈性應變回復，因此又得到了初始形狀(在B-C轉(zhuǎn)變前)。需說明的是，這里忽略了任何形式不可恢復的塑性應變。所以，根據(jù)材料所處狀態(tài)，點A與點F幾乎重合。正是這種恢復原狀或者說是記住原狀，就得到了“形狀記憶合金”這個名字。在無外力時，隨后的冷卻還會得到孿晶

3、馬氏體，也沒有明顯的形狀改變，而且與A-B加載時的方式相同。 根據(jù)形狀記憶材料的形狀恢復形式，SME可分為兩大類，即單程形狀記憶效應和雙程記憶效應。目前，使SMA獲得雙向記憶效應的方法主要有:引入位錯［4］、穩(wěn)定應力誘發(fā)馬氏體［5］和形成析出相［6］。這些方法的共同特點是在母相中引入不可恢復的缺陷。當試樣在冷卻過程中發(fā)生馬氏體相變時，這些缺陷產(chǎn)生的內(nèi)應力控制馬氏體的生長［7］。引起雙向記憶效應的機理主要有兩種解釋:(1)在高溫母相中滯留有馬氏體［8］;(2)在母相中引入了一系列位錯［5］。在以上兩種情況下，當試樣在冷卻過程中發(fā)生馬氏體相變時，擇優(yōu)的馬氏體就會優(yōu)先形成，從而實現(xiàn)記憶低溫馬氏體相

4、的形狀功能［9］。研究表明［10］，熱彈性馬氏體相變是SME的本質(zhì)。在相變特性和相變循環(huán)中有四個關鍵點Ms、Mf、As、Af，如圖1所示。要發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變就必須使馬氏體的化學自由能比母相的低［11］，即當溫度下降到Ms時，母相開始向馬氏體相轉(zhuǎn)變，下降到Mf時，馬氏體的熱化學自由能和彈性非化學自由能之差最小，轉(zhuǎn)變過程結(jié)束。類似的，當溫度升高到As時將發(fā)生逆馬氏體相轉(zhuǎn)變，馬氏體相開始向彈性模量較高的母相轉(zhuǎn)變，溫度達到Af時，逆轉(zhuǎn)變過程結(jié)束。一般情況下，SMA可以完全恢復的形變量為7%左右，形變溫度范圍在－150～200℃之間，可以通過改變合金的成分和熱處理來控制。 1．2超彈性 在SMA中觀察

5、到的第二個常見現(xiàn)象是偽彈性效應。該效應是與應力產(chǎn)生的非孿晶馬氏體(SIM)和卸載時逆轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體相關的。這種在偽彈性作用下，加載時奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)榉菍\晶馬氏體的相變，類似于基于產(chǎn)生可恢復的彈性應變的觀點，孿晶馬氏體重構(gòu)轉(zhuǎn)變成非孿晶馬氏體。在偽彈性效應中，起始相是奧氏體，但在應力作用下還發(fā)生了相變。圖1所示的是等溫偽彈性加載路徑應力-溫度圖。需要說明的是，任何包含了會形成SIM或者在奧氏體轉(zhuǎn)變開始或者結(jié)束區(qū)都會形成偽彈性效應。起初，材料處于奧氏體相(圖1和4中的點1)。馬氏體的非孿晶化轉(zhuǎn)變在點2開始，在點3已完全轉(zhuǎn)變成非孿晶馬氏體。繼續(xù)加載將使非孿晶馬氏體發(fā)生彈性變形。如果卸載，在點4就開始逆形變。

6、當卸載到點5時，材料再次回到奧氏體相，并且當應力到0時，彈性應變(εel)和形變應變(εt)都已回復。只有塑性應變(εp)沒發(fā)生變化。 圖4為一典型試驗得出的Ni-TiSMA的偽彈性效應圖。溫度保持在80℃不變。應力低于σMs時SMA作出彈性響應。當達到SMA的臨界應力σMs時，就發(fā)生A-M的轉(zhuǎn)變，開始形成SIM。在形成SIM的過程中，產(chǎn)生了大的非彈性應變(圖4)。當應力到達臨界值σMf時，轉(zhuǎn)變結(jié)束。此時材料就處于非孿晶馬氏體態(tài)。大于σMf繼續(xù)加載，材料作出彈性回應。卸載時，到臨界應力σAs時開始發(fā)生逆轉(zhuǎn)變，到σAf時轉(zhuǎn)變結(jié)束，因為在Af溫度以上才適用于機械載荷。 在加載和卸載的應力-應變

7、曲線中可得到一滯回環(huán)。如果施加的應力超過了臨界值σMf，那么滯回環(huán)的寬帶，不可回復的塑性應變累加值，代表了回復應變的最大值，該應變是由奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變時產(chǎn)生的應力(σt)所至。圖4還可看到材料的另一重要性質(zhì)，即在循環(huán)加載的末尾還殘留了剩余塑性應變(εpl)。 關于Ni-Ti形狀記憶合金的超彈性，鄧宗才和劉春國［12］做過相關研究，并指出影響SMA超彈性力學性能的主要因素有如下四點: (1)Ni含量及處理方法。Ni含量的影響以50%為界，當Ni含量小于或接近50%時，除熱處理外，還需冷拉拔及低溫時效才可獲得好的超彈性;當Ni含量大于50%時，經(jīng)熱處理就可獲得良好的超彈性，如Ti-50．8%

8、Ni合金絲400℃溫度下處理30min，淬火可獲得較好的超彈性［13］。但是Ni含量不應超過51%，否則會使超彈性溫度范圍過窄。 (2)溫度。SMA在外界應力作用下會發(fā)生馬氏體和逆馬氏體相變，但臨界應力值會隨外界溫度的變化而變化，并引起滯回環(huán)曲線的變化［14］。文獻［14］通過試驗測試了溫度對SMA耗能性能的影響，指出在－10～50℃的溫度范圍內(nèi)，隨溫度的升高，滯回環(huán)向上飄移，但滯回的環(huán)形狀及面積變化不大。 (3)應變速率及拉伸應變最大值。根據(jù)相關報道［15－17］，相變應力會隨加載速率的提高而增大。但馬氏體相變是個放熱過程，逆馬氏體相變是個吸熱過程。因放熱速率會隨加載速率的增大而增大，來

9、不及散失的熱量使合金自身溫度升高，有利于逆馬氏體相變的進行，宏觀上表現(xiàn)為奧氏體開始相變應力增幅更大。其次拉伸應變對材料的能量損耗也有很大影響［17］。隨加載最大應變值的增大，材料耗能能力呈線性增長，但對相變應力影響較小。 (4)循環(huán)加載。應力應變循環(huán)次數(shù)對超彈性有顯著影響［18，19］。材料進入應力-應變循環(huán)，可在母相中引入位錯等缺陷，使馬氏體相變臨界應力增大，該循環(huán)導致的材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化和微觀宏觀殘余應力場都會影響SMA的超彈性。超彈性的工程應用有:SMA減隔震裝置，如公路高架橋SMA棒［20］，建筑結(jié)構(gòu)SMA絲復位裝置［21］，SMA彈簧隔震系統(tǒng)［22，23］和框架結(jié)構(gòu)SMA索減震系統(tǒng)［

10、24］;SMA耗能裝置的應用，如安裝SMA裝置結(jié)構(gòu)的動態(tài)響應模型，試驗驗證SMA裝置的可行性，用數(shù)值模擬及試驗方法進行SMA裝置的優(yōu)化設計等。 2SMA在航空工業(yè)領域的應用 2．1SMA在固定翼飛機中的應用 先來看看在固定翼飛機推進系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)配置上的應用。在固定翼項目上的應用最著名的兩個項目是智能翼項目和SAMPSON計劃［25，26］。智能翼項目是開發(fā)和演示包括形狀記憶合金在內(nèi)的智能材料，以優(yōu)化起重機構(gòu)的性能［27－30］。項目分為兩個階段，第一階段是密集型形狀記憶合金。具體為SMA絲，被用于啟動無鉸副翼，而另一個SMA扭矩管用于啟動一小比例F-18模型的機翼扭曲。在上述的每個應用領域

11、，形狀記憶效應都是通過形狀恢復來提供驅(qū)動，恢復都是在無外界應力的條件下發(fā)生。在這里，驅(qū)動時的應力狀態(tài)是可變的，它是驅(qū)動結(jié)構(gòu)彈性回復的函數(shù)。人們發(fā)現(xiàn)，當SMA能為16%原型模型提供理想驅(qū)動時，SMA扭矩管卻沒有足夠的強度來驅(qū)動原型翼。圖5所示為測試的扭矩管。 SAMPSON計劃在原型F-15進氣道進行了試驗驗證。在NASA蘭利高速實驗室進行的第一系列風洞試驗，測試了對抗系統(tǒng)，該系統(tǒng)內(nèi)兩對面都裝有SMA電纜。具有形狀記憶效應的SMA能改變進氣罩的截面積。兩相反的SMA綁成一束，分別驅(qū)動兩個方向，當加熱其中之一使形狀恢復時，未加熱的SMA就會非孿晶化。當受熱的SMA冷卻下來，先前非孿晶化的SMA就

12、會加熱，驅(qū)動相反的方向。由34根線組成的SMA束，可產(chǎn)生高達26700N的力，使進氣罩偏轉(zhuǎn)9。進一步測試了更為復雜的SMA驅(qū)動器，如進氣道唇整形［31］。試驗步驟見圖6。作為SAMPSON計劃的一部分，還研究了包裹在高旁路噴氣發(fā)動機風扇船尾外圍的SMA電纜，能夠增加或減小在不同區(qū)域飛行條件下的風扇噴管面積［32］。在該設計中，起飛和著陸(或低速航行)時產(chǎn)生的高溫排氣可使SMA結(jié)構(gòu)元件向奧氏體轉(zhuǎn)變，從而產(chǎn)生回復應變，打開噴嘴至最大截面積。巡航時，較低的氣溫將使噴嘴關閉，以優(yōu)化高空性能。試驗中研究了利用SMA電纜束實現(xiàn)噴嘴的開啟和關閉，為走向?qū)嵱锰峁┝思夹g(shù)支持。 利用類似原理，還研究了SMA彎曲

13、驅(qū)動器。這是為了優(yōu)化權(quán)衡起飛和著陸時緩解噪音以及高空性能。這種發(fā)動機的噪音水平通常受到各種民間機構(gòu)的高度限制。通常稱為V形氣流攪拌裝置，以靜態(tài)沿著排氣噴嘴安裝在尾部邊緣。該復合V形裝置設計成具有重構(gòu)性，內(nèi)部嵌有SMA組件。驅(qū)動器的原理是基于隨海拔的改變，氣流溫度也隨之改變。在低海拔和低速時，發(fā)動機溫度較高，SMA元件變形，迫使V形齒進入氣流并混合氣流(減少噪音)。當高海拔高速時，V形齒又恢復變直，發(fā)動機性能得到提高。文獻［33］提到，通過加熱裝置，自主控制和人工控制的測試結(jié)果表明，裝置工作良好，但仍需改進。圖7所示為當前波音飛機上的可變V形齒設計。圖8所示為當前波音V形系統(tǒng)模型。該模型完全考慮

14、到了諸如彈性復合材料層壓板基材反應，滑動接觸和3D非均質(zhì)SMA載荷等復雜情形。 有關形狀記憶合金應用在機翼中的報道比較多，比如由美國諾斯羅普格魯門公司(NGC)領導完成的DARPA/AFRL/NASA智能翼項目，是采用SMA智能材料來改善軍用飛機的空氣動力和氣動彈性性能。該項目分為兩個階段，分別進行不同測試，驗證了發(fā)展智能控制界面設計的可行性，以提供在各種飛行條件下的最佳空氣動力學性能［34］。 Parsaoran［35］等人也對利用SMA材料來控制飛機襟翼的位置。他們的設計方案是使飛機的部分機翼的皮瓣由SMA驅(qū)動來控制。皮瓣被固定在連接有SMA彈簧的旋轉(zhuǎn)管上，SMA彈簧的另一端固定在翼盒

15、的前端。四根SMA彈簧包括上層鑲嵌在皮瓣管頂部，下層的鑲嵌在皮瓣管底部。當電流通過彈簧上層時，SMA彈簧驅(qū)動器就會使皮瓣上翹，同理，電流通過彈簧下層時會使皮瓣下彎。簡易圖如圖9所示，圖中上層彈簧在電流作用下受熱。圖10為用測力計來測量旋轉(zhuǎn)皮瓣上翹時產(chǎn)生的最大力。雖然每個SMA彈簧可產(chǎn)生大于10N的力，但在旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)中會損失一些能量，四根上層彈簧一起使皮瓣上翹時，在旋轉(zhuǎn)基部能產(chǎn)生的最大力約為30N，在后緣為5N。所以皮瓣驅(qū)動器產(chǎn)生的力平均17．5N，已超過所需的最小力6．4N。 Parsaoran等人還在Temple大學流體實驗室用風洞做了測試，如圖11所示。由于原型模型尺寸限制，測試只能在風洞

16、口進行。測試時的風洞最大風速為21．3m/s，由此便可測出模型在動態(tài)載荷作用下的性能。SMA驅(qū)動器能很好的控制皮瓣的位置，并隨其載荷改變時延遲時間最短。一般使皮瓣從一個方向的最大偏轉(zhuǎn)位置偏轉(zhuǎn)到另一方向的最大偏轉(zhuǎn)位置所需的時間約為6s，即使是在理想環(huán)境風速的1/3條件下測試，也能使皮瓣偏轉(zhuǎn)。Parsaoran等人的設計理念還可應用在飛機副翼、板條和方向舵上。 2．2SMA在旋翼機上的應用 直升機旋翼的設計是在懸停條件和前飛操作條件之間找到平衡，但又必須要適應外界環(huán)境非常不穩(wěn)定的空氣動力學和動態(tài)學條件，由此導致飛機振動大，噪音大，有限的有效載荷和速度，維護費用高以及元部件的使用壽命有限等。傳統(tǒng)

17、的直升機旋翼主動控制系統(tǒng)大、重、復雜，但如果換成在電、磁或熱刺激下能改變形狀的智能材料，將其嵌入旋翼翼片中，上述問題將得到改善。SMA在旋翼飛機翼片中的應用研究也有相關報道，F(xiàn)riedrich［36］等人指出，智能材料在直升機主旋翼系統(tǒng)局部的二次驅(qū)動控制是可實用的，有利于提高整體性能和降低成本。他們是以MD900雙引擎輕型通用直升機為例，SMA驅(qū)動的后緣調(diào)整片用于準靜態(tài)飛行時的翼片跟蹤，如圖12。調(diào)整片驅(qū)動器，已考慮過多種SMA驅(qū)動設計方案，包括鑲嵌在機翼后緣或調(diào)整片內(nèi)的SMA絲，使用SMA絲或扭轉(zhuǎn)管的離散驅(qū)動器。因能量密度高，結(jié)構(gòu)簡單，穩(wěn)定性好，扭轉(zhuǎn)管被認為是最有效的方法。使用了三種SMA材

18、料(NiTi，NiTi-7Cu，NiTi-10Cu)制作的扭轉(zhuǎn)驅(qū)動器進行了測試，結(jié)果顯示Ni-Ti-10Cu具有良好的循環(huán)穩(wěn)定性。Friedrich等人設計了三種SMA驅(qū)動器。第一種使用了兩個扭轉(zhuǎn)管，一個用來驅(qū)動，一個用來偏轉(zhuǎn)，另外還設計了一個用來執(zhí)行電源關閉操作的制動裝制。據(jù)此制作了帶有扭轉(zhuǎn)管，被動制動鎖和面板控制器的驅(qū)動器原型。經(jīng)可控性和剛度測試表明，該設計不可行?；谏鲜鼋?jīng)驗，制作了第二種帶有改進包裝的主動控制系統(tǒng)的驅(qū)動器原型，如圖13。該驅(qū)動器使用連接齒輪組的雙軸SMA(NiTi-10Cu)扭轉(zhuǎn)管。一支管作為驅(qū)動，另一支管使偏轉(zhuǎn)恢復，反之亦然。一支SMA激活釋放定位器，一旦到達指定位置

19、后，另一支SMA偏轉(zhuǎn)鎖定驅(qū)動器，所以無需能量來保持其位置。在靜態(tài)和動態(tài)載荷測試平臺，用傳感器和PC數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)測試該驅(qū)動器的性能，結(jié)果表明達到了力和轉(zhuǎn)動的要求，但性能仍有待改進。至此，制造了第三種帶有集成電子控制的驅(qū)動器原型進一步提高其性能和穩(wěn)定性，如圖14。該原型對框架，加熱器，輸出軸，齒輪，SMA鎖和集成傳感器都有改善，還增加了輸出力矩測量，用電子束焊接SMA管各部件末端，并將電源，數(shù)據(jù)采集和控制電子電路集成到驅(qū)動器中。在靜態(tài)和動態(tài)載荷下測試表明，除了帶寬，其他性能都能達到要求。但通過控制算法或冷卻SMA元件可以增加帶寬［37］。 2．3SMA在發(fā)動機上的應用 飛機噪音問題一直以

20、來都是個備受關注的問題，需要我們開發(fā)新技術(shù)來解決。我們知道，普通渦輪風扇發(fā)動機，在工作時噴出與發(fā)動機軸線平行的高速氣體，由于其速度比發(fā)動機噴口外的大氣速度高得多，兩種氣流的剪切會造成很大的噪音，尤其是飛機在起飛和爬升階段產(chǎn)生的噪音更大。目前一種有效的技術(shù)是采用鋸齒狀噴口，是一種沿著氣流方向，由齒狀結(jié)構(gòu)根部向尖端逐漸伸入氣流內(nèi)部的圓齒組成。此設計能干預噴出氣流和大氣氣流的混合，使兩者混合平穩(wěn)，達到降低噪音的作用，但是在減小噪音的同時會損失一定的推力［38］。如果安裝SMA薄片驅(qū)動器就能解決這一狀況。在飛機起飛和爬升過程中可利用發(fā)動機高功率下噴出的熾熱氣體加熱SMA，使其發(fā)生相變驅(qū)動結(jié)構(gòu)變形，鋸齒

21、就伸入氣流中，降低噪音。當飛機處于巡航狀態(tài)時，發(fā)動機較低的功率使周圍空氣相對冷卻，SMA發(fā)生逆相變，鋸齒結(jié)構(gòu)返回初始狀態(tài)，而且每個鋸齒結(jié)構(gòu)都可以單獨控制變形［39］。 2．4SMA的一些其他應用 除了在航空上推進系統(tǒng)的應用，形狀記憶效應驅(qū)動器也普遍適用于解決升力系統(tǒng)問題，如機翼結(jié)構(gòu)的變形。將SMA元素融入到空氣動力學已是眾多科研的一個主題。研究表明，利用SMA絲的形狀記憶行為，在飛行中機翼配置可變到最佳性能。使其和展向配置一起可增加驅(qū)動位移。在風洞試驗中測試到恒定攻角5時會增加9%的提升力。這些結(jié)果都表明，一個集成的設計與分析環(huán)境的作用，即SMA驅(qū)動的結(jié)構(gòu)反應和其他外部系統(tǒng)的影響［40］。

22、研究人員利用對抗彎曲單元研究了整個變形結(jié)構(gòu)的變形理論和實驗反應，該應用中在一簡單連接結(jié)構(gòu)的兩邊安裝有兩條反向的單程SMA線性元件(絲帶或電線)。在縱向重復便形成一個變形桁架式結(jié)構(gòu)?？捎糜诤娇蘸秃教炱魃?，結(jié)構(gòu)單元也符合航天器設計者的要求［41］。雖然整個變形結(jié)構(gòu)如機翼還只是一種可能，但SMA已廣泛用于驅(qū)動其他較小的氣動元件。SMA因其獨特的性能用于一大范圍的尺寸內(nèi)是完全可能的。應用在小尺寸驅(qū)動上的最近一個例子是，形狀記憶絲用在驅(qū)動機翼表面的渦流發(fā)生器［42］。另一個是SMA絲用于微機電系統(tǒng)(即MEMS)。這種微機電系統(tǒng)激活活性皮膚，包括很多結(jié)合了薄膜SMA元件的設備，它們可微加工并置于空氣動力裝

23、置的皮膚表面下，該裝置會在皮膚中形成行波，有利于激活邊界層湍流，減少阻力。但問題是標準尺寸的SMA組建只能提供低的30Hz的展出驅(qū)動頻率［43］。除了開發(fā)驅(qū)動的應用程序，已有研究用SMA元件來優(yōu)化飛機結(jié)構(gòu)面板的動態(tài)特性。這種應用通常是用SMA在轉(zhuǎn)變時彈性剛度的變化。其他應用中這種行為還是次要的，但對于操縱結(jié)構(gòu)動力響應而言非常重要。Tawfik［44］研究了通過增加SMA預應變或SMA纖維的體積分數(shù)可以降低熱致屈曲后的撓度。另外，通過增加SMA的重量減小剛度也可以降低每個振動模式的自然頻率，同時也改變了結(jié)構(gòu)的顫振響應。建模是在不計遲滯效應加載的條件下，僅考慮SMA元件非線性應力/應變行為下進行的

24、。這種模型是在有限元環(huán)境下實施的。需要說明的是，SMA合金板的制作加工很困難，但配置更薄線的替代方法已證實可行［45］ 3結(jié)論 (1)形狀記憶材料具有能量密度高，結(jié)構(gòu)緊湊，兼容性好等特性，其中最主要的性能是形狀記憶效應和超彈性。(2)形狀記憶材料作為一種智能材料，已被廣泛用于航空工業(yè)領域，不僅使傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡化，提高了性能，突破了多種飛行條件的外界環(huán)境的限制，隨著研究的不斷深入，形狀記憶材料還將發(fā)揮其優(yōu)異的性能，服務航空事業(yè)。(3)形狀記憶材料的研究畢竟只有短短的幾十年，理論還不完善，需要廣大科研工作者繼續(xù)努力。相信在不久的將來，形狀記憶材料定能形成巨大的新興產(chǎn)業(yè)，應用在國民經(jīng)濟和日常生活的各個領域，改善人們的生活，造福人類。