专利名称：一种内植形状记忆合金丝铺层复合材料的制备方法和成型模具的制作方法
技术领域：
本发明涉及到一种内植形状记忆合金丝材的可控制振动的纤维增强复合材料板
材，具体涉及到这种板材的成型方法和成型模具。
背景技术：
振动控制是复合材料的自适应性能的一个研究方向，其主要目的是减小振动振 幅，增强阻尼以及控制振型，实现对结构振动和噪声的消除、控制。 在复合材料结构制品中，振动控制有着极为重要的实用意义。如大型仓体、导弹发 射装置中加入减振材料，可以提高系统工作精度；汽车车身、座椅、电机罩盖中加入减振材 料有助于消除工作时产生的噪音，尤其是车身中，利用振动主动控制技术可以增加司机和 乘车人员的舒适感；而在一些体育运动如高山滑雪、网球、乒乓球和高尔夫球中，运动器具 在使用时会产生一个易出故障的宽频带振动，对这种振动进行控制可以改善运动员的手感 和准度。另外，一些建筑上的篷、盖类结构，大型叶片等常受到振动疲劳破坏，减振可以延长 其使用寿命。 对复合材料结构实施振动控制，需要植入阻尼粘滞体或其它功能性材料，这些材 料包括压电材料、电或磁流变体、磁致伸縮材料以及形状记忆合金等。其中，形状记忆合金 弹性模量大，相变回复力大，可回复的变形量大，非常适于用作高性能复合材料结构的阻尼 元件和控制元件。 形状记忆合金(Sh即e memory alloy, SMA)是一种具有特殊性能的材料。自上世 纪80年代起，形状记忆合金丝材得到开发应用，而到了 2004年，丝材细度就可达到几十微 米，同时还能保持原有的形状记忆功能。我国自1977年开始关于SMA的研究，目前常规的形 状记忆合金产品已经进入市场。目前为止，已发现的具有形状记忆效应的合金有20余种。
SMA的功能来源于其内部的相态变化，自由状态下，SMA主要有两种相态高温奥 氏体和低温马氏体。在外界温度变化时，这两个相态之间发生可逆的相变。相变区标志性 温度有马氏体相变起始温度(Martensite started, Ms)，奥氏体相变起始温度(Austenite started, As)，奥氏体相变终止温度(Austenite finished, Af)和马氏体相变终止温度 (Martensite finished，Mf)。 SMA具有两个不同于其它金属材料的特殊性质。其一为超弹性，表现为当使用温度 在其Af之上，奥氏体态的SMA在外力作用下发生应力诱发下的马氏体相变，产生的应力诱 发马氏体在应力撤除后会通过奥氏体相变自动消除，应力作用下的宏观变形也会随着逆相 变而完全消失。SMA相变引起的变形具有弛豫效应，其拉伸-回弹曲线上也呈现出具有标志 性的力学滞回曲线，说明SMA超弹体在拉伸-回复的循环内通过马氏体相变与逆相变能够 吸收可观的能量，因此形SMA超弹体本身具有良好的阻尼效果。其二为形状记忆特性，表现 为在经过高温实效处理后，SMA能够记住其奥氏体下的形态，马氏体相状态下进行一定限度 的变形后，在随后的加热并超过马氏体相消失温度时，材料能完全恢复到原奥氏相下的初
3始形态。由于温度改变前后，SMA马氏体的杨氏模量仅是其奥氏体的1/3左右，而且SMA的
形状记忆特性能够产生超强的回复力，因此形状记忆特性使得SMA具有智能性。 SMA可以做成丝状，与基体树脂复合或是埋置在复合材料内，通过自身性质或利用
温度控制相变来实现复合材料结构的振动控制。SMA对复合材料结构的振动控制分为被动
控制与主动控制。 被动控制采用结构内植SMA超弹丝，SMA超弹丝具有高模量、高阻尼，植于结构合 适的位置不仅能够提高复合材料结构刚度，还能吸收振动能量，减弱复合材料结构的振动。 近几年来，国内外的研究人员为了增强超弹丝的振动控制效果，在植入复合材料之前对超 弹丝做了 3 6%的预拉伸。SMA的主动振动控制又分主动材料参数调节方式(APT-Active PropertyTiming)禾口主动应变會g调节方式(AET—Active Strain Energy Timing) 。 APT控制 方法利用相变后奥氏体与马氏体弹性模量的巨大差异，将非受力状态下的SMA马氏体直接 植入复合材料结构中，激发后的SMA能够改变复合材料局部弹性模量，从而改变复合材料 振动整体性能，该法在升温过程中，复合材料结构中并不会产生SMA相变回复力，因此对振 动控制能力较弱。AET方法是将处于应力拉伸状态的SMA马氏体植入复合材料中，激发后， 不仅SMA的弹性模量得到大大提高，SMA还会产生相变回复力，所以AET法要更为有效。
可见，无论是采用哪种方法，内植SMA的复合材料的振动控制是通过SMA材料特性 或相变驱动特性实现的，因此，应考虑合理地设计结构来实现预设的振动控制效果。例如， SMA丝的植入量、预伸长量、植入位置和方式等都是要考虑的重要因素。这些要素可以通过 结构力学的理论计算和仿真分析等手段进行设计，在复合材料制品的加工成型过程中，如 何能够精确地控制这些要素，实现复合材料预设性能是关键。 目前为止，关于内植SMA的复合材料研究多在实验室阶段。大多数研究者采用手 工操作，仅有少数研究者借助自设计的装置固定SMA丝。欧美以及日本许多实验室的研究 使用简单的夹具固定SMA丝，复合固化时，在夹具的中间放置模具，使夹具夹持的SMA丝参 与模压，这样，经过预拉伸3 6%左右的SMA丝在复合材料固化成型过程中能够较稳定地 保持预设伸长量，树脂固化后，SMA丝的预应变得到保存。该法存在的缺陷在于①在内植 的形状记忆合金丝数量较多时，装置结构不免有些笨重，加工过程中手工操作过多，夹具移 动过程中也容易发生变形，容易造成SMA应变量的变化，产生很大的操作误差；②在制备层 合复合材料时，只能将固定好的单层SMA丝植入到复合材料的同一层内，可实现的结构种 类有限，若将多层SMA丝按照要求植入，还需要借助其它手段。 但是目前尚没有发现一种可以控制形状记忆合金丝的复合材料固化装置的报道， 而以手工操作为主的小型实验室装置显然是不适合用于批量化生产的，需要考虑设计特殊 装置以简化加工流程。基于此考虑，本发明将SMA丝使用钢框组件夹持，并使之集成在复合 材料成型模具中，将复合材料纤维制品或其预浸料的铺层与SMA的排布、预拉伸在一起完 成，这样将无疑能够提高生产效率；在设计的过程中，力求尽量减少手工操作，将能够大大 提高SMA丝的植入精度。
发明内容
本发明的目的是提供一种内植形状记忆合金丝的复合材料制备方法。它通过使用 本发明中介绍的特制模具，能够精确地控制形状记忆合金丝的预伸长量和植入位置，而且能够同时植入多层形状记忆合金丝。
为了实现上述目的，本发明所使用的特制模具具备以下特征 模具为组合式模具，主要分为上模，下模盖板，钢框组件以及带凹槽的下模四部 分；在使用时，钢框组件置于在下模凹槽中，覆好下模盖板后，形成下模组合体，可以与上模 实现模压、真空辅助树脂成型等复合材料成型工艺。 钢框组件被设计用来拉伸和固定形状记忆合金丝，它分为固定端和活动端，其中， 固定端固定在下模左侧，活动端与下模凹槽相耦合，能够沿凹槽来回滑动。固定端与活动端 有两根相同的丝杠相连，丝杠一侧顶在固定端底板底部，另一端穿过活动端底部的内螺纹， 两根丝杠同步转动可以控制活动端的滑移位移。丝杠上面固定着齿轮，两根丝杠通过齿轮 传动，在一个步进电机驱动下做同步转动，步进电机连接外部控制电路，可以自动控制电机 的转动方向和转数。 钢框组件的上部有上夹板和紧固螺母，用于夹紧形状记忆合金丝。为限制几层形 状记忆合金丝的植入位置，依据需要，在上下夹板之间配有一组不同厚度的隔距片可供选 择，要植于不同位置的形状记忆合金丝被夹紧在隔距片之间，而形状记忆合金丝的预拉伸
是由电路控制步进电机完成。 本发明实施的具体步骤如下 (1)安装下模组件，在下模表面涂脱模剂后，开始进行纤维制品或其预浸料的铺
层，在设定的层中，平行植入形状记忆合金丝；铺层时，通过合理地选择钢框内隔距片的厚
度，将内植在不同纤维制品层的形状记忆合金丝固定在不同的厚度位置上，在铺层结束后，
对形状记忆合金丝其预加少量张力确保其平行顺直，使用紧固螺母夹紧钢框； (2)通过控制电路，启动步进电机带动下模内的丝杠转动，拉伸形状记忆合金丝至
所设计的预伸长量，停止； (3)在下模内充入树脂如铺层采用的为纤维预浸料，直接模压成型；如铺层采用 的为纤维制品，充入树脂后，固化成型； 同之前报道的研究中所使用的方法，本发明具有以下优点 1.本发明通过使用隔距片，形状记忆合金丝的位置被固定下来，隔距片之间可以 夹持多层形状记忆合金丝，能够方便地同时植入多层形状记忆合金丝； 2.本发明从对形状记忆合金丝预加张力夹紧之后， 一直到模具合模复合固化的过
程中，完全摒弃了手工操作，形状记忆合金丝的植入精度得到大大地提高； 3.本发明将形状记忆合金丝拉伸固定装置与复合材料成型模具设计到一体，在铺
层过程中实现形状记忆合金预拉伸，縮短了加工流程，适合连续化生产。
图1为本发明中所使用模具的组合效果示意图；
图2为钢框组合体的侧视示意图；
图3为钢框组合体的俯视示意图； 图中有金属平板上模1 ;下模盖板2 ;钢框组件3 ;带有凹槽的下模4 ;上钢框夹 板5 ;隔距片6 ;固定的钢框底座7 ;带有内螺纹的活动的钢框底座8 ;紧固螺母9 ;步进电机 10 ;丝杠11 ;被固定在不同厚度层中的形状记忆合金丝12。
具体实施方式
实施例1 使用玻璃纤维/环氧单向带制备具有12层厚度平行铺层的层合复合材料板，设计 后的模压厚度为1. 2mm，其中采用的多根形状记忆合金丝的直径为0. 2mm，以5%的伸长率， 平行植入距板材表面0. 4mm左右的深度。制备时，将单向带按照预先设计铺8层，后排列 形状记忆合金丝，选择钢框组合体上隔距片厚度为0. 8mm，继续铺层剩下的4层，夹紧左侧 钢框夹头，从右侧对每根形状记忆合金丝施加0. 5N的预加张力，夹紧右侧夹头；设置步进 电机动程为复合材料长度的5%，预拉伸稳定后，启动加热加压设备，模压成型。通过观察， 模压成型制品中形状合金丝所处的位置和状态保持了伸直平行状态，可见在模压成型过程 中，形状记忆合金丝的排布与植入位置能够达到设计要求。
实施例2 制备厚度为2. 4mm的6层玻璃纤维平纹织物/环氧复合材料板，采用的多根形状 记忆合金丝的直径为0. 2mm，以5%的伸长率，平行植入距板材表面0. 4mm左右的深度。制备 时，先将玻璃纤维平纹布在下模上铺设4层再植形状记忆合金丝，方法同按照实施例l，全 部的玻璃纤维布铺设完毕后，浇上调配好的环氧树脂胶液，调节温度和压强，模压成型。显 微照片发现形状记忆合金丝仍能保持伸直平行状态，而且其植入位置基本达到设计要求。
本发明并不限于以上实施例，本发明还适合于在不脱离本发明的技术和应用前提 下，可对不同的层合复合材料具体实施参数进行调整。
权利要求
一种用于内植形状记忆合金丝复合材料制备的成型模具，其特征在于能够将形状记忆合金丝的铺层与预拉伸在复合材料的成型过程中一次性地完成，模具具有如下结构特征1)模具为组合式模具，分为上模，下模盖板，能够拉伸和固定形状记忆合金丝的钢框组件以及带凹槽的下模四部分，其中，钢框组件置于在下模凹槽中；2)钢框组件分为固定端和活动端，其中，固定端固定在下模左侧，活动端与下模凹槽相耦合，能够沿凹槽来回滑动；固定端与活动端有两根相同的丝杠相连，活动端底部具有供丝杠穿过的内螺纹，由两根丝杠同步转动可以控制活动端的滑移位移；固定端和活动端的上部有上夹板和紧固螺母，用于夹紧形状记忆合金丝，上夹板与钢框底座之间设有一层或几层隔距片；3)凹槽内固定一个控制电路驱动的步进电机，通过齿轮与两根丝杠啮合，步进电机能够控制丝杠同步转动，精确地控制钢框组件活动端的位移，凹槽外侧设有刻度标尺，还可进行目测调节；2.应用权利要求1所述的成型模具的内植形状记忆合金丝复合材料制备方法，其特征在于1)将下模盖板，钢框组件和下模组装后，在上、下模表面涂脱模剂，开始进行纤维制品或其预浸料的铺层，在设定的层中，平行植入形状记忆合金丝；铺层时，通过合理地选择钢框内隔距片的厚度，将内植在不同纤维制品层的形状记忆合金丝固定在不同的厚度位置上，在铺层结束后，对形状记忆合金丝其预加少量张力确保其平行顺直，使用紧固螺母夹紧钢框；2)通过控制电路，启动步进电机带动下模内的丝杠转动，拉伸形状记忆合金丝至所设计的预伸长量，停止；3)在下模内充入树脂如铺层采用的为纤维预浸料，直接模压成型；如铺层采用的为纤维制品，充入树脂后，固化成型；
2. 应用权利要求1所述的成型模具的内植形状记忆合金丝复合材料制备方法，其特征 在于1) 将下模盖板，钢框组件和下模组装后，在上、下模表面涂脱模剂，开始进行纤维制品 或其预浸料的铺层，在设定的层中，平行植入形状记忆合金丝；铺层时，通过合理地选择钢 框内隔距片的厚度，将内植在不同纤维制品层的形状记忆合金丝固定在不同的厚度位置 上，在铺层结束后，对形状记忆合金丝其预加少量张力确保其平行顺直，使用紧固螺母夹紧 钢框；2) 通过控制电路，启动步进电机带动下模内的丝杠转动，拉伸形状记忆合金丝至所设 计的预伸长量，停止；3) 在下模内充入树脂如铺层采用的为纤维预浸料，直接模压成型；如铺层采用的为纤 维制品，充入树脂后，固化成型。
全文摘要
本发明涉及一种形状记忆合金丝内植复合材料的制备方法和实现这一方法的复合材料成型模具，该方法使用特殊设计的模具，在纤维增强体或其预浸料的铺层时，在单个目标层或多个目标层内植入一组或几组平行分布的形状记忆合金丝，适于模压或树脂真空辅助成型，以该法内植的形状记忆合金丝能够克服模压和树脂流动的影响，以所设计的预伸长量稳定地分布于复合材料厚度的预设位置，形成振动性能精确、可靠的复合材料；成型模具是一套组合式金属对模，包含一套能够夹持形状记忆合金丝并可以控制其伸长量和水平高度的钢框组件，一个金属平板上模，一个带有凹槽的下模和下模盖板。
文档编号B29C70/30GK101746065SQ200910244878
公开日2010年6月23日 申请日期2009年12月17日 优先权日2009年12月17日
发明者张淑洁, 徐磊, 杨秋红, 王瑞, 马崇启 申请人:天津工业大学