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NiTi-Ti/Al系层状复合材料制备及动态力学行为

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摘要

随着航空航天、武器装备技术的进步与发展，对防护材料的性能提出了轻质高强结

构功能化的要求，单一性能的金属或非金属已无法满足上述领域日益增长的需求。近些

年，Ti/Al层状复合材料是根据自然界仿生学的应用开发的层状防护材料，具有质量轻、

强度高的性能特点，为防护材料研发领域提供了新的途径。通过金属-金属间化合物的

力学结构特点导致的特殊的失效机制，使材料在载荷的作用下与普通材料相比，能够吸

收更多的能量。采用真空热压烧结的方法制备了三种工艺下的NiTi纤维-Ti/Al系层状复

合材料，并进行了工艺优化。同时，NiTi纤维的加入改善了材料的断裂韧性并且由于纤

维的断裂机理使材料吸收更多的能量。采用扫描电镜、能谱仪和X射线衍射等手段对

三种工艺下制备出的试样进行了微观结构表征。对三种试样进行了硬度、密度测试，并

对其进行了准静态和动态的压缩试验。通过数值模拟技术对三种工艺下的MIL复合材

料进行过准静态和动态压缩模拟，通过有限元方法设计了五种不同Ti体积分数的MIL

复合材料对其进行了动态力学行为研究。

在微结构方面，NiTi-Ti/Al系层状复合材料由Ti层、NiTi纤维、纤维反应层、两

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相区、Ti/Al反应扩散层和部分未反应的Al组成，并且纤维反应层和两相区主要是由不

同含量的AlNi和AlTi组成。最后通过工艺优化得到的试样的微观形貌发现金属间化

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合物层以纤维为中心划分成了一个个结构单元。

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在物理性能方面，NiTi纤维-Ti/Al系层状复合材料的平均密度分别为4g/cm。在

硬度方面，制备得到的NiTi纤维-Ti/Al系层状复合材料垂直于叠层方向的硬度值均呈

700HV~800HV间，两相区及Ti/Al扩散层硬度在500~700HV范围内。在静压缩性能方

面，三种工艺下NiTi-Ti/Al复合材料在垂直于叠层方向上的平均抗压强度分别为489.6、

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653.2、709.76MPa，平均失效应变为22.53、32.02、10.06%；在平行于叠层方向上的平

均抗压强度分别为405.6、544.6、699.4MPa，平均失效应变为0.40、13.30、6.34%。在

动态压缩性能方面，三种工艺下NiTi纤维-Ti/Al系层状复合材料在垂直于叠层方向上的

平均抗压强度分别为459.7、665.4、803.MPa，平均失效应变为16.37、14.63、10.07%；

在平行于叠层方向上的平均抗压强度分别为477.0、526.4、556.6MPa，平均失效应变为

16.90、12.22、7.70%。可以得出随着温度和保温时间的升高，材料的力学性能得到了增

强，垂直层向的强度要高于平行层向。

在数值模拟方面，通过建立Hopkinson压杆及五种不同Ti材料的本构模型，研究

哈尔滨工程大学专业学位硕士学位论文

NiTi纤维-Ti/Al系层状复合材料的变形机理。0Ti的复合材料试样吸收的能量为11.40J、

12Ti复合材料试样吸收的能量为14.88J、20Ti复合材料试样吸收的能量为16.28J、40Ti

复合材料试样吸收的能量为23.22J和60Ti复合材料试样吸收的能量为22.74J。试样中

Ti的体积分数达到40%时，样品吸收的能量最大，抗冲击性能最好。设置了四种不同

的冲击速度分别为500、1000、1500mm/s和2000mm/s得到的试样吸收的能量分别为

12.94、16.28、17.61、22.35J。随着冲击速度的增减，试样的变形量增大。并且进行了

平行层状的冲击测试模拟，变形特点和实际相符。

关键词：层状复合材料；微结构；动态力学行为；数值模拟

NiTi-Ti/Al系层状复合材料制备及