SMA應用對航空工業(yè)的重要性

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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，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)生向奧氏體母相轉變的逆相變(點E)，在Af溫度完成(點F)。由于重構，彈性應變回復，因此又得到了初始形狀(在B-C轉變前)。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，這些缺陷產生的內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。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，轉變過程結束。類似的，當溫度升高到As時將發(fā)生逆馬氏體相轉變，馬氏體相開始向彈性模量較高的母相轉變，溫度達到Af時，逆轉變過程結束。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。該效應是與應力產生的非孿晶馬氏體(SIM)和卸載時逆轉變?yōu)閵W氏體相關的。這種在偽彈性作用下，加載時奧氏體轉變?yōu)榉菍\晶馬氏體的相變，類似于基于產生可恢復的彈性應變的觀點，孿晶馬氏體重構轉變成非孿晶馬氏體。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或者在奧氏體轉變開始或者結束區(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變在點2開始，在點3已完全轉變成非孿晶馬氏體。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的轉變，開始形成SIM。在形成SIM的過程中，產生了大的非彈性應變(圖4)。當應力到達臨界值σMf時，轉變結束。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)生逆轉變，到σAf時轉變結束，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變時產生的應力(σt)所至。圖4還可看到材料的另一重要性質，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，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)導致的材料內部結構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］，建筑結構SMA絲復位裝置［21］，SMA彈簧隔震系統(tǒng)［22，23］和框架結構SMA索減震系統(tǒng)［

10、24］;SMA耗能裝置的應用，如安裝SMA裝置結構的動態(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)和結構配置上的應用。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的智能材料，以優(yōu)化起重機構的性能［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動，恢復都是在無外界應力的條件下發(fā)生。在這里，驅動時的應力狀態(tài)是可變的，它是驅動結構彈性回復的函數(shù)。人們發(fā)現(xiàn)，當SMA能為16%原型模型提供理想驅動時，SMA扭矩管卻沒有足夠的強度來驅動原型翼。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，驅動相反的方向。由34根線組成的SMA束，可產生高達26700N的力，使進氣罩偏轉9。進一步測試了更為復雜的SMA驅動器，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)時產生的高溫排氣可使SMA結構元件向奧氏體轉變，從而產生回復應變，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，為走向實用提供了技術支持。 利用類似原理，還研究了SMA彎曲

13、驅動器。這是為了優(yōu)化權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性，內部嵌有SMA組件。驅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驅動來控制。皮瓣被固定在連接有SMA彈簧的旋轉管上，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皮瓣上翹時產生的最大力。雖然每個SMA彈簧可產生大于10N的力，但在旋轉系統(tǒng)中會損失一些能量，四根上層彈簧一起使皮瓣上翹時，在旋轉基部能產生的最大力約為30N，在后緣為5N。所以皮瓣驅動器產生的力平均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位置偏轉到另一方向的最大偏轉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。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驅動的后緣調整片用于準靜態(tài)飛行時的翼片跟蹤，如圖12。調整片驅動器，已考慮過多種SMA驅動設計方案，包括鑲嵌在機翼后緣或調整片內的SMA絲，使用SMA絲或扭轉管的離散驅動器。因能量密度高，結構簡單，穩(wěn)定性好，扭轉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)制作的扭轉驅動器進行了測試，結果顯示Ni-Ti-10Cu具有良好的循環(huán)穩(wěn)定性。Friedrich等人設計了三種SMA驅動器。第一種使用了兩個扭轉管，一個用來驅動，一個用來偏轉，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)此制作了帶有扭轉管，被動制動鎖和面板控制器的驅動器原型。經可控性和剛度測試表明，該設計不可行。基于上述經驗，制作了第二種帶有改進包裝的主動控制系統(tǒng)的驅動器原型，如圖13。該驅動器使用連接齒輪組的雙軸SMA(NiTi-10Cu)扭轉管。一支管作為驅動，另一支管使偏轉恢復，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偏轉鎖定驅動器，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)測試該驅動器的性能，結果表明達到了力和轉動的要求，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生的噪音更大。目前一種有效的技術是采用鋸齒狀噴口，是一種沿著氣流方向，由齒狀結構根部向尖端逐漸伸入氣流內部的圓齒組成。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)生相變驅動結構變形，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，鋸齒結構返回初始狀態(tài)，而且每個鋸齒結構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，形狀記憶效應驅動器也普遍適用于解決升力系統(tǒng)問題，如機翼結構的變形。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。這些結果都表明，一個集成的設計與分析環(huán)境的作用，即SMA驅動的結構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構的變形理論和實驗反應，該應用中在一簡單連接結構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構?？捎糜诤娇蘸秃教炱魃希Y構單元也符合航天器設計者的要求［41］。雖然整個變形結構如機翼還只是一種可能，但SMA已廣泛用于驅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是完全可能的。應用在小尺寸驅動上的最近一個例子是，形狀記憶絲用在驅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的展出驅動頻率［43］。除了開發(fā)驅動的應用程序，已有研究用SMA元件來優(yōu)化飛機結構面板的動態(tài)特性。這種應用通常是用SMA在轉變時彈性剛度的變化。其他應用中這種行為還是次要的，但對于操縱結構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，同時也改變了結構的顫振響應。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結論 (1)形狀記憶材料具有能量密度高，結構緊湊，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)的結構簡化，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業(yè)，應用在國民經濟和日常生活的各個領域，改善人們的生活，造福人類。