金属注射成形多孔NiTi形状记忆合金及其传热驱动的研究

论文摘要

本文以金属注射成形工艺制得多孔NiTi形状记忆合金多孔体,并以多孔传热的方式研究了该多孔体作为驱动元件的可行性。多孔的NiTi形状记忆合金除超弹性和形状记忆性能外,还有一些是致密材料所没有的性能,如低密度、高孔隙度和高透过性等。期望这些性能与传统材料相结合,对材料的发展尤其是复合材料、智能材料、生物医学材料和消声减振材料等的发展注入新的活力。文中采用金属注射成形法制得了Ni+Ti混合粉末毛坯,得出Ni+Ti金属粉末与粘结剂的质量比为10:2;注射成形压力为400bar;喂料温度为353K;模具温度控制在328K左右时注射得到压坯一致性较好。并对石蜡基粘结剂体系制备的Ni+Ti注射成形坯进行溶剂脱粘和热脱粘,溶剂脱粘最大脱粘率可达98.8%。溶剂脱粘速度曲线随着时间进行分为三段。溶剂脱粘和热脱粘后在Ni+Ti注射坯内形成许多大小不同、形状各异的孔洞。采用实验和数值计算两种方法研究了自蔓延燃烧烧结多孔形状记忆合金。实验表明:烧结反应完全,孔洞形状不规则,多为通孔,孔径约1mm左右,孔隙率最大约为75%左右,孔径和孔隙率都远远大于压制成形粉末烧结合成法制作的多孔NiTi形状记忆合金,并且实验验证了烧结机理。该多孔NiTi形状记忆合金的主相为B2和B19′的NiTi相,仅有极少量的NiTi2中间过渡相,无Ti和Ni纯元素相出现,并对实验样品进行了DSC以及压缩试验测试。当预热温度达到一定值时,燃烧方式发生了转变,从自蔓延燃烧转为热爆模式,并且此时的最大燃烧温度也大于NiTi形状记忆合金熔点温度。对于理论计算模型,文中把自蔓延燃烧过程分为:预热段、点火段和燃烧段三个阶段,其中燃烧段根据燃烧温度分为未熔化段、部分熔化段和过热段。并对点火段和燃烧段分别建立数学模型,并得出以下结论:点火线圈的温度越高,预热温度越高,点火所需时间越短;瞬态燃烧温度随着燃烧的进行温度逐渐升高,当温度达到NiTi形状记忆合金的熔点时温度保持不变。同时文中也研究了燃烧瞬态转化率、瞬态熔化率以及燃烧波的分布规律,结果表明:实验数据与数值计算结果吻合较好。文中用实验和数值模拟的方法研究了冷热流体加热和冷却形状记忆合金多孔管驱动器。结果表明:形状记忆合金驱动器的温度随时间有一个明显的周期性的变化,满足交变驱动SMA驱动器的工作要求,最大温度大于SMA奥氏体相变结束的温度并且波动的最小温度低于马氏体相变结束的温度。数值计算模型分为两部分:（1）管内流动;（2）多孔膜管壁内流动。对于管内的流动本模型采用二维湍流模型的两方程模型,管壁多孔介质采用层流流动模型,结果表明:实验数据与数值计算结果基本吻合。文中把形状记忆合金的回复力模型扩展到二维方向,采用有限元方法研究了周期内形状记忆合金驱动器回复力瞬态分布情况。结果表明:驱动器在周期内最大回复力可达402MPa。并综合上述结果,本文设计了基于PLC的形状记忆合金多孔管驱动器,发现其振动频率在实验工况下最大达2.27Hz。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 主要符号表
• 第一章 多孔形状记忆合金概述
• 1.1 形状记忆合金的发现和发展
• 1.2 形状记忆合金特性
• 1.2.1 形状记忆效应
• 1.2.2 相变伪弹性
• 1.2.3 形状记忆合金电阻特性
• 1.2.4 形状记忆合金的阻尼特性
• 1.3 形状记忆合金的几个典型应用
• 1.4 多孔NiTi 形状记忆合金
• 1.4.1 多孔NiTi 形状记忆合金的发展历史
• 1.4.2 多孔NiTi 形状记忆合金的研究现状
• 1.4.3 多孔NiTi 形状记忆合金的制备方法-燃烧合成
• 1.5 本文的主要内容和意义
• 参考文献
• 第二章 金属注射成形（MIM）制作Ni+Ti 毛坯
• 2.1 MIM 概述
• 2.1.1 MIM 技术的发展历程
• 2.1.2 MIM 基本过程及原理
• 2.1.3 MIM 技术的发展方向
• 2.2 MIM 制作Ni+Ti 毛坯的实验研究
• 2.2.1 金属粉末选取
• 2.2.2 粘结剂选取
• 2.2.3 混炼
• 2.2.4 注射成形
• 2.2.5 脱脂
• 2.3 本章小结
• 参考文献
• 第三章 自蔓延高温合成（SHS）与粉末烧结合成NiTi 形状记忆合金多孔体的实验研究
• 3.1 SHS 概述
• 3.1.1 SHS 原理
• 3.1.2 多孔NiTi 形状记忆合金制备方法
• 3.1.3 SHS 制备多孔NiTi 形状记忆合金影响因素
• 3.2 SHS 合成NiTi 形状记忆合金多孔体的实验研究
• 3.2.1 实验方法与参数
• 3.2.2 实验装置与流程
• 3.3 实验误差分析
• 3.4 实验结果与分析
• 3.4.1 预热温度对点火的影响
• 3.4.2 预热温度对燃烧温度分布的影响
• 3.4.3 预热温度对燃烧波平均速度的影响
• 3.4.4 MIM 多孔NiTi 形状记忆合金样品
• 3.4.5 MIM 多孔NiTi 形状记忆合金的SEM
• 3.4.6 MIM 多孔NiTi 形状记忆合金孔径分布
• 3.4.7 MIM 多孔NiTi 形状记忆合金成分分析
• 3.4.8 MIM 多孔NiTi 合金DSC 分析
• 3.4.9 MIM 多孔NiTi 合金压缩性能分析
• 3.5 粉末烧结合成NiTi 形状记忆合金多孔体的实验研究
• 3.5.1 实验方法与参数
• 3.5.2 烧结过程实验验证
• 3.5.3 烧结合成NiTi 形状记忆合金SEM
• 3.5.4 粉末烧结合成多孔NiTi 形状记忆合金成分分析
• 3.6 本章小结
• 参考文献
• 第四章 SHS 合成形状记忆合金机理的数值研究
• 4.1 SHS 概述
• 4.1.1 SHS 理论的发展
• 4.1.2 SHS 燃烧机理
• 4.2 数学模型
• 4.2.1 点火段数学模型
• 4.2.2 燃烧段数学模型
• 4.2.3 计算参数
• 4.2.4 计算方法与流程
• 4.3 计算结果分析
• 4.3.1 预热温度与线圈温度对点火的影响
• 4.3.2 预热温度对燃烧的影响
• 4.3.3 初始转化率对燃烧的影响
• 4.3.4 预热温度和初始转化率对燃烧波速度的影响
• 4.4 本章小结
• 参考文献
• 第五章 瞬态加热冷却NiTi 形状记忆合金多孔管驱动器传热的实验研究
• 5.1 实验目的与实验对象
• 5.2 实验装置
• 5.3 实验步骤与实验参数
• 5.4 实验测量误差分析
• 5.5 实验结果分析与讨论
• 5.5.1 来流速度对驱动器温度分布的影响
• 5.5.2 来流周期对驱动器温度分布的影响
• 5.5.3 来流速度对管内压力分布的影响
• 5.5.4 来流周期对管内压力分布的影响
• 5.6 本章小结
• 参考文献
• 第六章 渗流瞬态加热冷却形状记忆合金多孔膜管驱动器的数值研究
• 6.1 多孔介质中流动与热传递的研究综述
• 6.2 多孔膜管渗流模型
• 6.2.1 管内流动与换热模型
• 6.2.2 膜管壁多孔介质内流动与换热模型
• 6.3 模型求解
• 6.3.1 模型求解方案
• 6.3.2 计算参数的确定
• 6.4 计算结果分析
• 6.4.1 流速对流线的影响
• 6.4.2 来流速度与孔隙率对压力的影响
• 6.4.3 速度分布曲线
• 6.4.4 温度瞬态分布
• 6.4.5 来流速度对SMA 驱动器温度的影响
• 6.4.6 来流周期对SMA 驱动器温度的影响
• 6.5 本章小结
• 参考文献
• 第七章 SMA 驱动器回复力模型的有限元分析
• 7.1 前沿
• 7.2 本构模型
• 7.2.1 马氏体发生相变时
• 7.2.2 马氏体发生逆相变时
• 7.2.3 本构模型中参数确定
• 7.3 结果与讨论
• 7.3.1 瞬态应力分布
• 7.3.2 速度对SMA 多孔膜管驱动器最大平均回复力的影响
• 7.3.3 周期对SMA 驱动器最大平均回复力的影响
• 7.3.4 来流速度和周期对SMA 多孔膜管驱动器振幅的影响
• 7.4 本章小结
• 参考文献
• 第八章形状记忆合金膜管驱动器控制系统设计与优化
• 8.1 SMA 驱动器的发展概况
• 8.2 SMA 驱动器控制系统的设计
• 8.2.1 控制系统设计
• 8.2.2 控制程序设计
• 8.3 结果与讨论
• 8.3.1 最优化下驱动器瞬态温度变化
• 8.3.2 最优化下驱动器振动频率
• 8.4 本章小结
• 参考文献
• 第九章 总结与展望
• 9.1 总结
• 9.2 研究的创新点
• 9.3 展望
• 发表论文
• 致谢