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摘要
铜基多孔形状记忆合金（SMFs）具有轻质、高比强度、高阻尼和吸能性能以及特殊的超弹性等多功能性,在土木工程、建筑和汽车等领域的吸能、隔振、防震上有较高的研究和应用价值,但是铜基形状记忆合金（SMAs）的晶间脆性问题导致其应用受到限制。本研究拟制备具有均匀球形孔隙的Cu基SMFs,并引入稀晶结构,以最大限度缓解不规则孔隙的负面作用同时降低晶界束缚,达到缓解晶间脆性并获得更高阻尼性能和超弹性回复性能的目的。首先,熔炼出高延性的Cu-18.5%Al-11%Mn SMAs作为母合金,然后通过对硅胶造孔剂渗流法的设备、工艺流程及造孔剂密度、加热温度和渗入压力等工艺参数的优化,保证了均匀球形的孔隙形貌;最后利用硅胶颗粒的受热膨胀挤压特性,通过控制硅胶造孔剂的尺寸和密度,实现了孔隙结构的调控,制备出了孔隙直径在0.51.25 mm、孔隙率在66%81%范围内可控可调的Cu-Al-Mn SMFs。硅胶颗粒的不可逆膨胀可能主要是由于水分蒸发并在复杂孔隙结构的束缚下产生高压迫使孔隙壁变形造成的,据此可以合理解释硅胶颗粒的微观结构特征、膨胀过程和膨胀规律。首次明确了稀晶材料的稀晶度的物理意义为其自由表面积与晶界面积之比（SF/SB）,确定稀晶多孔材料的稀晶度可由晶粒尺寸与支柱节点直径的比值（d/N）定量表征。稀晶Cu-Al-Mn SMFs的稀晶度达到3.094.59,大部分晶界为竹节晶界,但由于其晶粒长大受到复杂三维支柱架构的限制而使晶粒尺寸d与支柱长度L成正比,稀晶度d/N也因此随支柱长宽比L/N线性增大。稀晶Cu-Al-Mn SMFs的相变特性、阻尼性能和超弹性回复应变均受到支柱架构和稀晶度的耦合影响。热诱发马氏体相变和低应变振幅（0.05%）马氏体阻尼由于相界面和马氏体界面受到淬火空位钉扎而主要随支柱宽度N变化。但由于稀晶度结构可促进母相/马氏体界面的可动性,相变峰阻尼主要随d/N增大而增大。当应变振幅增大时,马氏体移动行程增大,空位脱钉,稀晶结构对界面可动性的促进作用变得更显著,因此高应变振幅（1.90%）马氏体阻尼随d/N线性增加。稀晶Cu-Al-Mn SMFs（孔隙率均为66%）的最大压缩回复应变随d/N线性增加,最高达4.92%,说明稀晶结构可使应力诱发马氏体相变及其回复过程更顺利。稀晶Cu-Al-Mn SMFs的应力-应变曲线较为流畅,说明均匀球形的孔隙形貌和稀晶结构可有效缓解Cu基SMFs的晶间脆性问题。采用高温长时间和循环热处理成功使孔隙率为70%的Cu-Al-Mn SMFs的稀晶度d/N达到8.19,性能得到显著提升。稀晶Cu-Al-Mn SMFs的相变峰阻尼随d/N增大至最高0.154,升高了65%。低振幅马氏体阻尼随d/N增大而增至峰值0.0627后降低,因为高稀晶度不仅有利于增大马氏体的可动性还会促进马氏体长大而使界面减少。高振幅马氏体阻尼随d/N线性增加至高达0.260,说明高稀晶度对马氏体可动性的促进作用在马氏体移动行程增大时变得更加显著,可抵消马氏体宽化的影响。最大压缩回复应变随d/N线性增大,最高达到了5.53%（70%孔隙率）。多孔稀晶SMAs的阻尼和超弹性回复性能随d/N显著提升主要是由于受束缚的三叉晶界数量和晶界面积减少,而不受束缚的晶内体积和自由表面增大,从而使晶粒束缚减小造成的。最后,根据硅胶造孔剂膨胀挤压的原理,成功推导出多孔材料孔径、孔隙率和体积比表面积的模拟计算公式,从而实现通过对硅胶造孔剂的初始尺寸、膨胀比例、堆垛致密度和配位数等参数的实验表征来定量计算和准确预测多孔材料孔隙结构（相对误差0.0030.052）的目标。
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