关于扭曲形态镍钛丝智能综合系统的研究刘建德a谭伟业a孟祥龙a b 周利敏a
a 中国香港特别行政区九龙红磡香港理工大学机械工程系b中国哈尔滨哈尔滨工业大学材料科学与工程学院
摘要
近年来，越来越多的使用形状记忆合金（SMA）,将其以线性的形式与先进复合材料相结合。为了提高和发展这项技术，需要确保两者可靠安全的粘合，使形状记忆合金从执行机构转到复合材料结构中。这就需要提高新型的SMA丝自身的粘结强度，以及线和矩阵的复合。在放入环氧树脂圆柱体之前，将SMA丝扭曲成一定的形状增加线表面的粗糙度。通过线拔测试对镍钛/环氧树脂界面的结合强度进行研究。通过对实验结果和SEM观察表明，Ti2NiOx 和树脂界面的强度和裂缝随着嵌入式纤维丝的数量增加而增加。这些裂缝可以增加表面粗糙度，从而增加智能复合系统的最大拔出力。然而双绞线的最大应变回复上限为15圈，也就是说进一步增加将会导致不可恢复应变的数量的增加。
关键词:双绞线;智能复合材料粘结行为
1 简介
粘结强度是形状记忆合金SMA/环氧树脂界面的一个重要的因素，它控制着智能复合材料结构的整体力学性能。一般来说SMA的引入增加了额外的应力，在加热的条件下SMA纤维的预应力会通过界面的剪切应力转移到其周围的矩阵系统中。许多研究都认为当复合材料的温度高于SMA纤维的奥氏体温度时，在预应变SMA丝和环氧树脂的界面就会发生脱胶的现象【12】。这些现象将会影响到理想强度智能综合系统，特别是屈曲和振动控制得目的。该结构基于有效应力传递长度，在功能上实现对自主适应结构的良好的可控性。毫无疑问，SMA/基体界面的粘结质量是至关重要的，同时在机械紧固件【3】和套筒连接器【4】上也有广泛的使用。刘建德教授【5】认为预应变SMA智能丝在其插入的地方可能会因为高应变而恢复变形从而导致环氧树脂界面脱胶。Gabry【6】教授研究了镍钛诺合金丝与环氧树脂之间的界面摩擦力，发现使用不同材料对SMA丝进行表面处理可以避免界面的脱胶和滑动。梅崎友治利用螺旋线智能控制裂缝闭合力从而控制结构的裂缝形成。
在这项研究中，介绍了一种新的SMA线形式对智能复合材料结构驱动器的配置。将丝进行不同数量的扭曲并嵌入到环氧树脂复合材料中。线和基质材料的几何变化对钢丝表面可以产生额外的粗糙度，改善成键特性。
2 实验研究
2.1 实验设置
对直径0.5毫米的镍钛丝在智能综合系统被用作制动器的结合行为的调查。将所有线在机械加捻中扭曲成不同数量，放开夹具，扭转导线恢复，既无线弹性约束，及时工作温度低于马氏体完成温度，也可以发生此现象。将所有的线嵌入到直径10毫米的SMA/环氧圆柱形模具内部。直径与SMA/环氧圆柱体内径相同都是10毫米。对一根纤维进行拔出实验，测试其扭曲前后的粘接强度。利用扫描电子显微镜观察拔出实验后环氧树脂基体内外表面的双绞线。如图1演示的是SMA/环氧树脂圆柱形结构的拔出实验。
图1：SMA/环氧圆柱拔出示意图
2.2 表面扭曲镍钛诺合金线
在电子扫描显微镜下观察镍钛合金线表面的氧化膜。图2显示的是扭曲和未扭曲状态下的镍钛合金表面氧化膜。众所周知镍钛合金在退火时表面被Ti2NiOx氧化膜覆盖。图中明显表示出氧化膜表面的裂缝随着合金丝的数量增加而增加。在螺旋应力下加捻的过程产生高扭转力，使氧化膜变形，拉伸应变升高。如图2a所示聂泰合金在适当温度下退火，表面氧化层光滑而且只有少数的微裂纹。然而在10到40转线间明显看出氧化层的线被分裂成很多小的模块，并促使相对较为粗糙的表面和环氧树脂基体材料结合。图2b和c分表表示了镍钛丝10到40转的表面形态。
图2 显微镜下的氧化膜表面 a 0转，b 10转，c 40转
虽然表层裂解，剥离，但同时增加了粗糙度提高了黏结强度使其更好地嵌入到组合结构中去。这就是一根线做拔出实验时整体拔出力的增加原因。
2.3 丝拔出测试实验
将所有的丝分成六组分别埋入到环氧树脂援助基体中，六组分别测试不同的拔出力。划分标准按照图3所示，分别是0,10,25,40转。图示表明线拔出力与线的数量成正比，机丝/基体界面强度随着线的数量增加而增加。最大拔出载荷的增加是由表面粗糙度的变化引起的，如图二显示的那样，扭曲后的线表面集合形状发生变化。扭曲的线表面生成螺旋状的凹槽模，环氧树脂被困在这一区域中（如图4中的阴影部分）后固化。最后线和树脂间的摩擦
力增加
图3 显示的是最大拔出载荷和扭曲线数量之间的关系曲线图
图4 图解线表面在扭曲前后的形状变化
2.4 基体断口观测分析
将圆柱基体分成两半观察其拉伸后合金丝与基体接触界面的情况。图5所示为圆柱形环氧树脂基体中不同数量的线，a--c分别表示10,25,40转。根据图像可以看出，25和40转的圆柱基体内表面在拔出实验后。表面粗糙度比10转的高。这也说明SMA丝与基体的摩擦
力随着接触面扭曲的数量的增加而增加。
图5 拔出实验后基体内表面的断口状况，a--c分别表示的是不同转的丝，（a)10 转，（b）25转，（c）40转
显然，基体在拔出过程中受到很大的剪切力的作用而损坏。
在这项研究中人们发现扭曲的SMA丝之间的粘结强度会随着环氧树脂基体中的线的数量增加而增加。这一现象的两个主要原因是：加捻过程中被机械破化的氧化层增加了SMA
丝表面的粗糙度以及界面的摩擦力，同时被扭曲的丝发生几何变化导致接触面增大摩擦力增
加。然而双绞线在长度方向上的应力极限随着转动数量的增加而减少。线的最大限度是15转，预应变分别不超过150毫米和2%，如果进一步的增加转数将会产生不可恢复的应变。由于SMA智能嵌入式复合材料在近年来的使用急剧增加，并且不久的将来，SMA复合材料对于深入研究粘结质量和制动器应力传递机制系统也是非常重要的。本文打算引入一种新的配置方式既通过改变表面粗糙度和几何形状的嵌入式制动来提高SMA线和周围集体材料的粘结强度。还需要进一步的研究和全面的了解材料之间的机械性能和界面粘结技术。
3 总结
本文介绍了SMA作为内部结构的一种新型制动系统。通过拔出实验对扭曲SMA和环氧树脂基体之间的成键特性进行了研究，并利用断口界面显微镜观察到了界面变化情况。结果显示，相比较无捻线，加捻过的线对于整体结合强度有很大的提高。这个的主要原因是因为钢丝表面发生扭曲导致表面粗糙度增加同时几何形状也发生改变，增加了粘合力。
为了研究形状记忆和超弹性控制，需要对SMA丝进行深入的研究，并应用到复合结构中。在将这些应用到现实生活中前还需要对扭曲线与不同数量转动对于弹性和动态响应，恢复应变和应力以及疲劳特性的影响进行深入的分析和研究。
特别感谢
这项工作已经得到了香港理工大学的支持
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