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1、SMA應(yīng)用對(duì)航空工業(yè)的重要性 SMA應(yīng)用對(duì)航空工業(yè)的重要性 2012/09/20 本文作者：曾少鵬萬(wàn)小軍彭文屹單位：江西省政府辦公廳南昌大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 1形狀記憶效應(yīng)和超彈性 1．1形狀記憶效應(yīng) SME的本質(zhì)可以更好地從應(yīng)力-溫度相圖解釋，如圖1。有實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了沿σ-ε-T的加載途徑，如圖2顯示了NiTi合金絲驅(qū)動(dòng)器真實(shí)的加載途徑。在加載的開(kāi)始階段(圖1和2中的A)，SMA處于母相奧氏體相。去除應(yīng)力后，冷卻的SMA會(huì)轉(zhuǎn)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(yīng)力會(huì)使馬氏體相發(fā)生重構(gòu)，同時(shí)還觀察到大的宏觀應(yīng)變(圖1和2中的C)，某些Ni-Ti合金在應(yīng)變量為8%時(shí)就能看到［3］該宏觀應(yīng)變。卸載時(shí)，應(yīng)變中的彈性部分得到恢復(fù)，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(wú)外力時(shí)對(duì)SMA加熱，溫度達(dá)到As時(shí)會(huì)發(fā)生向奧氏體母相轉(zhuǎn)變的逆相變(點(diǎn)E)，在Af溫度完成(點(diǎn)F)。由于重構(gòu)，彈性應(yīng)變回復(fù)，因此又得到了初始形狀(在B-C轉(zhuǎn)變前)。需說(shuō)明的是，這里忽略了任何形式不可恢復(fù)的塑性應(yīng)變。所以，根據(jù)材料所處狀態(tài)，點(diǎn)A與點(diǎn)F幾乎重合。正是這種恢復(fù)原狀或者說(shuō)是記住原狀，就得到了“形狀記憶合金”這個(gè)名字。在無(wú)外力時(shí)，隨后的冷卻還會(huì)得到孿晶

3、馬氏體，也沒(méi)有明顯的形狀改變，而且與A-B加載時(shí)的方式相同。 根據(jù)形狀記憶材料的形狀恢復(fù)形式，SME可分為兩大類，即單程形狀記憶效應(yīng)和雙程記憶效應(yīng)。目前，使SMA獲得雙向記憶效應(yīng)的方法主要有:引入位錯(cuò)［4］、穩(wěn)定應(yīng)力誘發(fā)馬氏體［5］和形成析出相［6］。這些方法的共同特點(diǎn)是在母相中引入不可恢復(fù)的缺陷。當(dāng)試樣在冷卻過(guò)程中發(fā)生馬氏體相變時(shí)，這些缺陷產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力控制馬氏體的生長(zhǎng)［7］。引起雙向記憶效應(yīng)的機(jī)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(cuò)［5］。在以上兩種情況下，當(dāng)試樣在冷卻過(guò)程中發(fā)生馬氏體相變時(shí)，擇優(yōu)的馬氏體就會(huì)優(yōu)先形成，從而實(shí)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(zhì)。在相變特性和相變循環(huán)中有四個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)Ms、Mf、As、Af，如圖1所示。要發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變就必須使馬氏體的化學(xué)自由能比母相的低［11］，即當(dāng)溫度下降到Ms時(shí)，母相開(kāi)始向馬氏體相轉(zhuǎn)變，下降到Mf時(shí)，馬氏體的熱化學(xué)自由能和彈性非化學(xué)自由能之差最小，轉(zhuǎn)變過(guò)程結(jié)束。類似的，當(dāng)溫度升高到As時(shí)將發(fā)生逆馬氏體相轉(zhuǎn)變，馬氏體相開(kāi)始向彈性模量較高的母相轉(zhuǎn)變，溫度達(dá)到Af時(shí)，逆轉(zhuǎn)變過(guò)程結(jié)束。一般情況下，SMA可以完全恢復(fù)的形變量為7%左右，形變溫度范圍在－150～200℃之間，可以通過(guò)改變合金的成分和熱處理來(lái)控制。 1．2超彈性 在SMA中觀察

5、到的第二個(gè)常見(jiàn)現(xiàn)象是偽彈性效應(yīng)。該效應(yīng)是與應(yīng)力產(chǎn)生的非孿晶馬氏體(SIM)和卸載時(shí)逆轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體相關(guān)的。這種在偽彈性作用下，加載時(shí)奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)榉菍\晶馬氏體的相變，類似于基于產(chǎn)生可恢復(fù)的彈性應(yīng)變的觀點(diǎn)，孿晶馬氏體重構(gòu)轉(zhuǎn)變成非孿晶馬氏體。在偽彈性效應(yīng)中，起始相是奧氏體，但在應(yīng)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(yīng)力-溫度圖。需要說(shuō)明的是，任何包含了會(huì)形成SIM或者在奧氏體轉(zhuǎn)變開(kāi)始或者結(jié)束區(qū)都會(huì)形成偽彈性效應(yīng)。起初，材料處于奧氏體相(圖1和4中的點(diǎn)1)。馬氏體的非孿晶化轉(zhuǎn)變?cè)邳c(diǎn)2開(kāi)始，在點(diǎn)3已完全轉(zhuǎn)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(diǎn)4就開(kāi)始逆形變。

6、當(dāng)卸載到點(diǎn)5時(shí)，材料再次回到奧氏體相，并且當(dāng)應(yīng)力到0時(shí)，彈性應(yīng)變(εel)和形變應(yīng)變(εt)都已回復(fù)。只有塑性應(yīng)變(εp)沒(méi)發(fā)生變化。 圖4為一典型試驗(yàn)得出的Ni-TiSMA的偽彈性效應(yīng)圖。溫度保持在80℃不變。應(yīng)力低于σMs時(shí)SMA作出彈性響應(yīng)。當(dāng)達(dá)到SMA的臨界應(yīng)力σMs時(shí)，就發(fā)生A-M的轉(zhuǎn)變，開(kāi)始形成SIM。在形成SIM的過(guò)程中，產(chǎn)生了大的非彈性應(yīng)變(圖4)。當(dāng)應(yīng)力到達(dá)臨界值σMf時(shí)，轉(zhuǎn)變結(jié)束。此時(shí)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(yīng)。卸載時(shí)，到臨界應(yīng)力σAs時(shí)開(kāi)始發(fā)生逆轉(zhuǎn)變，到σAf時(shí)轉(zhuǎn)變結(jié)束，因?yàn)樵贏f溫度以上才適用于機(jī)械載荷。 在加載和卸載的應(yīng)力-應(yīng)變

7、曲線中可得到一滯回環(huán)。如果施加的應(yīng)力超過(guò)了臨界值σMf，那么滯回環(huán)的寬帶，不可回復(fù)的塑性應(yīng)變累加值，代表了回復(fù)應(yīng)變的最大值，該應(yīng)變是由奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力(σt)所至。圖4還可看到材料的另一重要性質(zhì)，即在循環(huán)加載的末尾還殘留了剩余塑性應(yīng)變(εpl)。 關(guān)于Ni-Ti形狀記憶合金的超彈性，鄧宗才和劉春國(guó)［12］做過(guò)相關(guān)研究，并指出影響SMA超彈性力學(xué)性能的主要因素有如下四點(diǎn): (1)Ni含量及處理方法。Ni含量的影響以50%為界，當(dāng)Ni含量小于或接近50%時(shí)，除熱處理外，還需冷拉拔及低溫時(shí)效才可獲得好的超彈性;當(dāng)Ni含量大于50%時(shí)，經(jīng)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(yīng)超過(guò)51%，否則會(huì)使超彈性溫度范圍過(guò)窄。 (2)溫度。SMA在外界應(yīng)力作用下會(huì)發(fā)生馬氏體和逆馬氏體相變，但臨界應(yīng)力值會(huì)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(xiàn)［14］通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試了溫度對(duì)SMA耗能性能的影響，指出在－10～50℃的溫度范圍內(nèi)，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(yīng)變速率及拉伸應(yīng)變最大值。根據(jù)相關(guān)報(bào)道［15－17］，相變應(yīng)力會(huì)隨加載速率的提高而增大。但馬氏體相變是個(gè)放熱過(guò)程，逆馬氏體相變是個(gè)吸熱過(guò)程。因放熱速率會(huì)隨加載速率的增大而增大，來(lái)

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(jìn)行，宏觀上表現(xiàn)為奧氏體開(kāi)始相變應(yīng)力增幅更大。其次拉伸應(yīng)變對(duì)材料的能量損耗也有很大影響［17］。隨加載最大應(yīng)變值的增大，材料耗能能力呈線性增長(zhǎng)，但對(duì)相變應(yīng)力影響較小。 (4)循環(huán)加載。應(yīng)力應(yīng)變循環(huán)次數(shù)對(duì)超彈性有顯著影響［18，19］。材料進(jìn)入應(yīng)力-應(yīng)變循環(huán)，可在母相中引入位錯(cuò)等缺陷，使馬氏體相變臨界應(yīng)力增大，該循環(huán)導(dǎo)致的材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化和微觀宏觀殘余應(yīng)力場(chǎng)都會(huì)影響SMA的超彈性。超彈性的工程應(yīng)用有:SMA減隔震裝置，如公路高架橋SMA棒［20］，建筑結(jié)構(gòu)SMA絲復(fù)位裝置［21］，SMA彈簧隔震系統(tǒng)［22，23］和框架結(jié)構(gòu)SMA索減震系統(tǒng)［

10、24］;SMA耗能裝置的應(yīng)用，如安裝SMA裝置結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)模型，試驗(yàn)驗(yàn)證SMA裝置的可行性，用數(shù)值模擬及試驗(yàn)方法進(jìn)行SMA裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)等。 2SMA在航空工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用 2．1SMA在固定翼飛機(jī)中的應(yīng)用 先來(lái)看看在固定翼飛機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)配置上的應(yīng)用。在固定翼項(xiàng)目上的應(yīng)用最著名的兩個(gè)項(xiàng)目是智能翼項(xiàng)目和SAMPSON計(jì)劃［25，26］。智能翼項(xiàng)目是開(kāi)發(fā)和演示包括形狀記憶合金在內(nèi)的智能材料，以優(yōu)化起重機(jī)構(gòu)的性能［27－30］。項(xiàng)目分為兩個(gè)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(dòng)無(wú)鉸副翼，而另一個(gè)SMA扭矩管用于啟動(dòng)一小比例F-18模型的機(jī)翼扭曲。在上述的每個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域

11、，形狀記憶效應(yīng)都是通過(guò)形狀恢復(fù)來(lái)提供驅(qū)動(dòng)，恢復(fù)都是在無(wú)外界應(yīng)力的條件下發(fā)生。在這里，驅(qū)動(dòng)時(shí)的應(yīng)力狀態(tài)是可變的，它是驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)彈性回復(fù)的函數(shù)。人們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)SMA能為16%原型模型提供理想驅(qū)動(dòng)時(shí)，SMA扭矩管卻沒(méi)有足夠的強(qiáng)度來(lái)驅(qū)動(dòng)原型翼。圖5所示為測(cè)試的扭矩管。 SAMPSON計(jì)劃在原型F-15進(jìn)氣道進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。在NASA蘭利高速實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的第一系列風(fēng)洞試驗(yàn)，測(cè)試了對(duì)抗系統(tǒng)，該系統(tǒng)內(nèi)兩對(duì)面都裝有SMA電纜。具有形狀記憶效應(yīng)的SMA能改變進(jìn)氣罩的截面積。兩相反的SMA綁成一束，分別驅(qū)動(dòng)兩個(gè)方向，當(dāng)加熱其中之一使形狀恢復(fù)時(shí)，未加熱的SMA就會(huì)非孿晶化。當(dāng)受熱的SMA冷卻下來(lái)，先前非孿晶化的SMA就

12、會(huì)加熱，驅(qū)動(dòng)相反的方向。由34根線組成的SMA束，可產(chǎn)生高達(dá)26700N的力，使進(jìn)氣罩偏轉(zhuǎn)9。進(jìn)一步測(cè)試了更為復(fù)雜的SMA驅(qū)動(dòng)器，如進(jìn)氣道唇整形［31］。試驗(yàn)步驟見(jiàn)圖6。作為SAMPSON計(jì)劃的一部分，還研究了包裹在高旁路噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)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(fēng)扇噴管面積［32］。在該設(shè)計(jì)中，起飛和著陸(或低速航行)時(shí)產(chǎn)生的高溫排氣可使SMA結(jié)構(gòu)元件向奧氏體轉(zhuǎn)變，從而產(chǎn)生回復(fù)應(yīng)變，打開(kāi)噴嘴至最大截面積。巡航時(shí)，較低的氣溫將使噴嘴關(guān)閉，以優(yōu)化高空性能。試驗(yàn)中研究了利用SMA電纜束實(shí)現(xiàn)噴嘴的開(kāi)啟和關(guān)閉，為走向?qū)嵱锰峁┝思夹g(shù)支持。 利用類似原理，還研究了SMA彎曲

13、驅(qū)動(dòng)器。這是為了優(yōu)化權(quán)衡起飛和著陸時(shí)緩解噪音以及高空性能。這種發(fā)動(dòng)機(jī)的噪音水平通常受到各種民間機(jī)構(gòu)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(fù)合V形裝置設(shè)計(jì)成具有重構(gòu)性，內(nèi)部嵌有SMA組件。驅(qū)動(dòng)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(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)溫度較高，SMA元件變形，迫使V形齒進(jìn)入氣流并混合氣流(減少噪音)。當(dāng)高海拔高速時(shí)，V形齒又恢復(fù)變直，發(fā)動(dòng)機(jī)性能得到提高。文獻(xiàn)［33］提到，通過(guò)加熱裝置，自主控制和人工控制的測(cè)試結(jié)果表明，裝置工作良好，但仍需改進(jìn)。圖7所示為當(dāng)前波音飛機(jī)上的可變V形齒設(shè)計(jì)。圖8所示為當(dāng)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(fù)合材料層壓板基材反應(yīng)，滑動(dòng)接觸和3D非均質(zhì)SMA載荷等復(fù)雜情形。 有關(guān)形狀記憶合金應(yīng)用在機(jī)翼中的報(bào)道比較多，比如由美國(guó)諾斯羅普格魯門公司(NGC)領(lǐng)導(dǎo)完成的DARPA/AFRL/NASA智能翼項(xiàng)目，是采用SMA智能材料來(lái)改善軍用飛機(jī)的空氣動(dòng)力和氣動(dòng)彈性性能。該項(xiàng)目分為兩個(gè)階段，分別進(jìn)行不同測(cè)試，驗(yàn)證了發(fā)展智能控制界面設(shè)計(jì)的可行性，以提供在各種飛行條件下的最佳空氣動(dòng)力學(xué)性能［34］。 Parsaoran［35］等人也對(duì)利用SMA材料來(lái)控制飛機(jī)襟翼的位置。他們的設(shè)計(jì)方案是使飛機(jī)的部分機(jī)翼的皮瓣由SMA驅(qū)動(dòng)來(lái)控制。皮瓣被固定在連接有SMA彈簧的旋轉(zhuǎn)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(dāng)電流通過(guò)彈簧上層時(shí)，SMA彈簧驅(qū)動(dòng)器就會(huì)使皮瓣上翹，同理，電流通過(guò)彈簧下層時(shí)會(huì)使皮瓣下彎。簡(jiǎn)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(cè)力計(jì)來(lái)測(cè)量旋轉(zhuǎn)皮瓣上翹時(shí)產(chǎn)生的最大力。雖然每個(gè)SMA彈簧可產(chǎn)生大于10N的力，但在旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)中會(huì)損失一些能量，四根上層彈簧一起使皮瓣上翹時(shí)，在旋轉(zhuǎn)基部能產(chǎn)生的最大力約為30N，在后緣為5N。所以皮瓣驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生的力平均17．5N，已超過(guò)所需的最小力6．4N。 Parsaoran等人還在Temple大學(xué)流體實(shí)驗(yàn)室用風(fēng)洞做了測(cè)試，如圖11所示。由于原型模型尺寸限制，測(cè)試只能在風(fēng)洞

16、口進(jìn)行。測(cè)試時(shí)的風(fēng)洞最大風(fēng)速為21．3m/s，由此便可測(cè)出模型在動(dòng)態(tài)載荷作用下的性能。SMA驅(qū)動(dòng)器能很好的控制皮瓣的位置，并隨其載荷改變時(shí)延遲時(shí)間最短。一般使皮瓣從一個(gè)方向的最大偏轉(zhuǎn)位置偏轉(zhuǎn)到另一方向的最大偏轉(zhuǎn)位置所需的時(shí)間約為6s，即使是在理想環(huán)境風(fēng)速的1/3條件下測(cè)試，也能使皮瓣偏轉(zhuǎn)。Parsaoran等人的設(shè)計(jì)理念還可應(yīng)用在飛機(jī)副翼、板條和方向舵上。 2．2SMA在旋翼機(jī)上的應(yīng)用 直升機(jī)旋翼的設(shè)計(jì)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(yīng)外界環(huán)境非常不穩(wěn)定的空氣動(dòng)力學(xué)和動(dòng)態(tài)學(xué)條件，由此導(dǎo)致飛機(jī)振動(dòng)大，噪音大，有限的有效載荷和速度，維護(hù)費(fèi)用高以及元部件的使用壽命有限等。傳統(tǒng)

17、的直升機(jī)旋翼主動(dòng)控制系統(tǒng)大、重、復(fù)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(wèn)題將得到改善。SMA在旋翼飛機(jī)翼片中的應(yīng)用研究也有相關(guān)報(bào)道，F(xiàn)riedrich［36］等人指出，智能材料在直升機(jī)主旋翼系統(tǒng)局部的二次驅(qū)動(dòng)控制是可實(shí)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(jī)為例，SMA驅(qū)動(dòng)的后緣調(diào)整片用于準(zhǔn)靜態(tài)飛行時(shí)的翼片跟蹤，如圖12。調(diào)整片驅(qū)動(dòng)器，已考慮過(guò)多種SMA驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)方案，包括鑲嵌在機(jī)翼后緣或調(diào)整片內(nèi)的SMA絲，使用SMA絲或扭轉(zhuǎn)管的離散驅(qū)動(dòng)器。因能量密度高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性好，扭轉(zhuǎn)管被認(rèn)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(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果顯示Ni-Ti-10Cu具有良好的循環(huán)穩(wěn)定性。Friedrich等人設(shè)計(jì)了三種SMA驅(qū)動(dòng)器。第一種使用了兩個(gè)扭轉(zhuǎn)管，一個(gè)用來(lái)驅(qū)動(dòng)，一個(gè)用來(lái)偏轉(zhuǎn)，另外還設(shè)計(jì)了一個(gè)用來(lái)執(zhí)行電源關(guān)閉操作的制動(dòng)裝制。據(jù)此制作了帶有扭轉(zhuǎn)管，被動(dòng)制動(dòng)鎖和面板控制器的驅(qū)動(dòng)器原型。經(jīng)可控性和剛度測(cè)試表明，該設(shè)計(jì)不可行。基于上述經(jīng)驗(yàn)，制作了第二種帶有改進(jìn)包裝的主動(dòng)控制系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)器原型，如圖13。該驅(qū)動(dòng)器使用連接齒輪組的雙軸SMA(NiTi-10Cu)扭轉(zhuǎn)管。一支管作為驅(qū)動(dòng)，另一支管使偏轉(zhuǎn)恢復(fù)，反之亦然。一支SMA激活釋放定位器，一旦到達(dá)指定位置

19、后，另一支SMA偏轉(zhuǎn)鎖定驅(qū)動(dòng)器，所以無(wú)需能量來(lái)保持其位置。在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)載荷測(cè)試平臺(tái)，用傳感器和PC數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)測(cè)試該驅(qū)動(dòng)器的性能，結(jié)果表明達(dá)到了力和轉(zhuǎn)動(dòng)的要求，但性能仍有待改進(jìn)。至此，制造了第三種帶有集成電子控制的驅(qū)動(dòng)器原型進(jìn)一步提高其性能和穩(wěn)定性，如圖14。該原型對(duì)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(cè)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(qū)動(dòng)器中。在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)載荷下測(cè)試表明，除了帶寬，其他性能都能達(dá)到要求。但通過(guò)控制算法或冷卻SMA元件可以增加帶寬［37］。 2．3SMA在發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用 飛機(jī)噪音問(wèn)題一直以

20、來(lái)都是個(gè)備受關(guān)注的問(wèn)題，需要我們開(kāi)發(fā)新技術(shù)來(lái)解決。我們知道，普通渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)，在工作時(shí)噴出與發(fā)動(dòng)機(jī)軸線平行的高速氣體，由于其速度比發(fā)動(dòng)機(jī)噴口外的大氣速度高得多，兩種氣流的剪切會(huì)造成很大的噪音，尤其是飛機(jī)在起飛和爬升階段產(chǎn)生的噪音更大。目前一種有效的技術(shù)是采用鋸齒狀噴口，是一種沿著氣流方向，由齒狀結(jié)構(gòu)根部向尖端逐漸伸入氣流內(nèi)部的圓齒組成。此設(shè)計(jì)能干預(yù)噴出氣流和大氣氣流的混合，使兩者混合平穩(wěn)，達(dá)到降低噪音的作用，但是在減小噪音的同時(shí)會(huì)損失一定的推力［38］。如果安裝SMA薄片驅(qū)動(dòng)器就能解決這一狀況。在飛機(jī)起飛和爬升過(guò)程中可利用發(fā)動(dòng)機(jī)高功率下噴出的熾熱氣體加熱SMA，使其發(fā)生相變驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)變形，鋸齒

21、就伸入氣流中，降低噪音。當(dāng)飛機(jī)處于巡航狀態(tài)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)較低的功率使周圍空氣相對(duì)冷卻，SMA發(fā)生逆相變，鋸齒結(jié)構(gòu)返回初始狀態(tài)，而且每個(gè)鋸齒結(jié)構(gòu)都可以單獨(dú)控制變形［39］。 2．4SMA的一些其他應(yīng)用 除了在航空上推進(jìn)系統(tǒng)的應(yīng)用，形狀記憶效應(yīng)驅(qū)動(dòng)器也普遍適用于解決升力系統(tǒng)問(wèn)題，如機(jī)翼結(jié)構(gòu)的變形。將SMA元素融入到空氣動(dòng)力學(xué)已是眾多科研的一個(gè)主題。研究表明，利用SMA絲的形狀記憶行為，在飛行中機(jī)翼配置可變到最佳性能。使其和展向配置一起可增加驅(qū)動(dòng)位移。在風(fēng)洞試驗(yàn)中測(cè)試到恒定攻角5時(shí)會(huì)增加9%的提升力。這些結(jié)果都表明，一個(gè)集成的設(shè)計(jì)與分析環(huán)境的作用，即SMA驅(qū)動(dòng)的結(jié)構(gòu)反應(yīng)和其他外部系統(tǒng)的影響［40］。

22、研究人員利用對(duì)抗彎曲單元研究了整個(gè)變形結(jié)構(gòu)的變形理論和實(shí)驗(yàn)反應(yīng)，該應(yīng)用中在一簡(jiǎn)單連接結(jié)構(gòu)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(fù)便形成一個(gè)變形桁架式結(jié)構(gòu)?？捎糜诤娇蘸秃教炱魃?，結(jié)構(gòu)單元也符合航天器設(shè)計(jì)者的要求［41］。雖然整個(gè)變形結(jié)構(gòu)如機(jī)翼還只是一種可能，但SMA已廣泛用于驅(qū)動(dòng)其他較小的氣動(dòng)元件。SMA因其獨(dú)特的性能用于一大范圍的尺寸內(nèi)是完全可能的。應(yīng)用在小尺寸驅(qū)動(dòng)上的最近一個(gè)例子是，形狀記憶絲用在驅(qū)動(dòng)機(jī)翼表面的渦流發(fā)生器［42］。另一個(gè)是SMA絲用于微機(jī)電系統(tǒng)(即MEMS)。這種微機(jī)電系統(tǒng)激活活性皮膚，包括很多結(jié)合了薄膜SMA元件的設(shè)備，它們可微加工并置于空氣動(dòng)力裝

23、置的皮膚表面下，該裝置會(huì)在皮膚中形成行波，有利于激活邊界層湍流，減少阻力。但問(wèn)題是標(biāo)準(zhǔn)尺寸的SMA組建只能提供低的30Hz的展出驅(qū)動(dòng)頻率［43］。除了開(kāi)發(fā)驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用程序，已有研究用SMA元件來(lái)優(yōu)化飛機(jī)結(jié)構(gòu)面板的動(dòng)態(tài)特性。這種應(yīng)用通常是用SMA在轉(zhuǎn)變時(shí)彈性剛度的變化。其他應(yīng)用中這種行為還是次要的，但對(duì)于操縱結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)而言非常重要。Tawfik［44］研究了通過(guò)增加SMA預(yù)應(yīng)變或SMA纖維的體積分?jǐn)?shù)可以降低熱致屈曲后的撓度。另外，通過(guò)增加SMA的重量減小剛度也可以降低每個(gè)振動(dòng)模式的自然頻率，同時(shí)也改變了結(jié)構(gòu)的顫振響應(yīng)。建模是在不計(jì)遲滯效應(yīng)加載的條件下，僅考慮SMA元件非線性應(yīng)力/應(yīng)變行為下進(jìn)行的

24、。這種模型是在有限元環(huán)境下實(shí)施的。需要說(shuō)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(shí)可行［45］ 3結(jié)論 (1)形狀記憶材料具有能量密度高，結(jié)構(gòu)緊湊，兼容性好等特性，其中最主要的性能是形狀記憶效應(yīng)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(lǐng)域，不僅使傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(wù)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(lái)，形狀記憶材料定能形成巨大的新興產(chǎn)業(yè)，應(yīng)用在國(guó)民經(jīng)濟(jì)和日常生活的各個(gè)領(lǐng)域，改善人們的生活，造福人類。