摘 要

形状记忆合金与橡胶基体复合而成的超弹性SMA复合材料展现了十分突出的应用前景。但是，SMA与橡胶基体间的界面粘结状况在很大程度上决定了该复合体系能否发挥出应有的效用。

针对SMA增强橡胶复合材料的结构和变形特征，本文采用数值模拟的方法，建立了单向随机分布短纤维以及蛇形结构的SMA增强橡胶复合材料的二维细观数值模型。同时，将界面单元引入二维细观数值模型，对具有不同界面粘结强度和界面粘结能的复合材料在单向拉伸大变形过程中的界面力学行为与细观变形－损伤机制进行了研究。

模拟结果表明，界面粘结强度的影响较为明显，模型应力应变曲线随着界面法向粘结强度的减小而显著降低；界面粘结能的影响不太明显，模型的应力应变曲线基本不随界面粘结能的变化而变化；同时，形状记忆合金的结构形态对SMA增强橡胶力学特性的影响也很显著。此外，这些细观模型还从数值分析的角度初步揭示了增强橡胶形状记忆合金与基体间界面损伤的细观机制：在材料变形过程中，与拉伸方向同向的SMA纤维附近的橡胶基体应力集中最为严重，由此导致界面上出现空穴，并随着变形的增大而增大，也就是说，界面失效的过程实际上是空穴形成和发展的过程。

关键词：形状记忆合金；橡胶复合材料；超弹性；界面粘结；数值模拟

Abstract

The hyperelastic SMA composites consisting of shape memory alloy and rubber matrix have shown a very prominent application prospects. Actually, the interfacial bonding quality between the SMA and the rubber matrix in the composite system largely determines whether it can play its original role.

Aimed at the structure and deformation characteristics of SMA reinforced rubber composites, we establish two-dimensional numerical models in which the SMA wires with different distributions reinforced in rubber composites are taken into account. At the same time, by introducing the interface element into a two-dimensional mesoscopic numerical model, we make a research on the mechanical behavior and meso-mechanism during the process of uniaxial tensile deformation of the composites under different cases of interfacal bonding strength and interfacial bonding energy.

The simulation results show that effects to the interfacial bond strength are obvious, and the stress-strain curve declines significantly as the interfacial bond strength decreases. However, the effect of interfacial bonding energy is less evident, so the stress-strain curve basically stays the same regardless of the interficial bonding energy changes. At the same time, the effects of the shape memory alloy upon the mechanical properties of the structure and morphology of the reinforced rubber are also very significant. In addition, these microscopic models also preliminarily reveal the meso-mechanics between the reinforced rubber matrix material and the interficial damage from the angle of numerical analysis. During the deformation process of the material, in SMA fibers, the stress near the rubber matrix concentration is the worst if it’s in stretching direction, which results in the appearance of hole on their interface, and it gets worse as deformation increases. Which we can say, the interface failure process is actually the process of void formation and development.

Key Words：shape memory alloy；rubber matrix composite；hyperelastic；the interfacial bonding；numerical simulation

目 录

第1章 绪论 1

1.1 形状记忆合金橡胶增强复合材料简介 1

1.2 国内外研究现状 2

1.3 本文工作 4

第2章 形状记忆合金与橡胶超弹性特征简介 5

2.1 形状记忆合金的热力学本构关系 5

2.1.1 形状记忆合金简介 5

2.1.2 形状记忆合金的热力学本构模型 6

2.2 橡胶材料的超弹性本构模型 8

2.2.1 橡胶材料的本构关系理论 8

2.2.2 基于唯象理论的橡胶本构模型 9

2.3 本章小结 11

第3章 界面单元简介与数值模拟工作 12

3.1 界面单元简介 12

3.2 内聚力模型简介 12

3.3 总体数值建模 14

3.3.1 添加界面单元的方法 14

3.3.2 单向随机分布短纤维SMA增强橡胶复合材料的有限元模型 15

3.3.3 蛇形SMA编织丝增强橡胶复合材料的有限元模型 16

3.4 计算方案 17

3.5 计算结果与分析 18

3.5.1 SMA对橡胶基体的增强作用 18

3.5.2 SMA的结构形式及界面特征对SMA增强橡胶力学行为的影响 19

3.6 本章小结 24

第4章 总结与展望 26

4.1 全文总结 26

4.2 工作展望 26

参考文献 28

致 谢 31

第1章 绪论

形状记忆合金（Shape Memory Alloy：SMA）作为一种智能材料，其最显著的特性是形状记忆效应，这一特性实际上是SMA内部马氏体相变所产生的结果^[1-2]。正是由于这种独特的热力学性质，SMA也受到了复合材料研究领域的关注。将形状记忆合金以丝、纤维、颗粒、薄膜等形态填入某些基体对象（如金属或聚合物）中，不仅可以对基体材料进行力学改性^[3-4]，还能得到具有智能属性的SMA复合体系^[5-6]，其用途十分广泛。

1.1 形状记忆合金橡胶增强复合材料简介

自SMA复合体系的概念提出以来，人们在这方面的探索就非常活跃，目前已有大量的相关成果；然而以往的研究多集中于考察以铝基和树脂基为代表的弹塑性SMA复合材料^[7-10]。近年来有学者发现，将形状记忆合金与橡胶基体复合而成的超弹性SMA复合材料展现了十分突出的应用前景^[11]。一方面，利用橡胶基体的柔性和易变形性，可有效降低材料内的局部应变，使其能够以较低的硬度承担较高的载荷；另一方面，利用温度变化驱动SMA的马氏体相变，可以调节材料的形状和受力响应，进而达到控制其服役性能的目的。此外，该材料还具有良好的抗疲劳、耐腐蚀性和生物相容性。基于以上特点，形状记忆合金增强橡胶适合作为医用生物材料来进行相应的设计开发。例如可由该材料制成具有较好的弯、扭特性的医疗导线，它能够在推力作用下进入肠道等弯曲部位，再凭借形状记忆效应对体温进行感知，以实现某些自诊断或自修复的功能^[12]。最近甚至有学者探讨了采用特定形式的SMA与橡胶基体进行复合，以制作某些人体内软组织（如食道）的替换物的可能性^[13-14]。由此可见，这种材料在生物医学方面的应用优势是别的SMA复合材料暂时无法比拟的，其研究具有较大的实际意义和发展空间。

形状记忆合金/橡胶复合材料以颇具特色的物理力学性能引起了人们的兴趣和重视，并开始被应用到既定的实际领域；但这些实际应用无疑要以对这种物理力学性能的正确认识为前提。在这类材料中，作为基体相的橡胶具有明显的大变形、非线性超弹性特征^[15]，作为增强相的SMA则可能呈不同的结构形态，这一系列复杂的细观因素决定了其在外载作用下的变形演化机制将会十分复杂；加之基体相与增强相的受力性能差异较大^[13]，在变形过程中还容易发生两者间的滑移或界面脱粘，而这种局部损伤行为也会对材料的宏观力学与细观变形机制产生显著影响。