研究人员利用形状记忆合金研发抗震材料

近年，地震所造成的破坏暴露了现有建筑结构面对强烈的地面移动时存在的脆弱性。针对这种状况，美国乔治亚理工学院的研究人员正在对形状记忆合金材料进行分析，了解它们用于抗地震结构材料的潜力。

为分析形状记忆合金，研究人员开发出将热力学和力学方程相结合的模型，以了解形状记忆合金在强烈运动条件下会有何变化。利用模型，他们分析了形状记忆合金在不同建筑组件（电缆、钢筋、板材和螺旋弹簧）中对不同外界条件的反应。研究人员表示，基于这些信息，能决定材料的最佳抗震特性。

这个分析模型的开发者包括乔治亚理工学院土木和环境工程学院教授雷金纳德·德斯洛奇斯、力学工程学院研究生雷扎·米尔扎艾法、土木和环境工程学院副教授阿拉希·亚瓦里以及材料科学工程学院教授肯·噶尔。有关分析模型的文章不久前发表在《国际非线性力学杂志》网络版上。

为改善材料在地震中的结构性能，全球各地的研究人员对多种“智能”材料的使用进行了研究，其中包括形状记忆合金。最常见的形状记忆合金由含有铜—锌—铝—镍、铜—铝—镍或镍—钛的金属化合物构成。形状记忆合金在桥梁和建筑结构中的潜在应用包括结构支承、支柱和横梁，或梁和柱间的连接部件。

亚瓦里解释道，对于标准的土木工程材料，人们借助力学通过力和位移便可测量出材料的应力和形变。但是，对于特性随着负荷的存在和消失而变化的形状记忆合金这类材料，人们却必须从热力学和力学两方面来考虑。

研究小组发现，在从有负荷到无负荷的过程中，热量的产生和吸收在形状记忆合金中形成了一个温度梯度，这导致材料中出现非均匀的应力分布，即使是形状记忆合金出现均匀形变时也是如此。

米尔扎艾法认为，过去人们深入研究的是细丝状的形状记忆合金，其能够与周围环境迅速交换热量，让人们察觉不到温度的变化。但当人们开始研究尺寸达到可以成为土木工程部件的形状记忆合金时，其内部温度不再均匀，必须将这种不均匀考虑到研究的范围内。

为预知形状记忆合金在有/无负荷交替循环中内部温度分布（其可帮助了解应力分布）情况，研究人员开发的研究模型能够将材料的表面热限条件、直径和形状记忆合金负荷率作为输入参数。

研究小组将周围条件纳入研究模型的原因是形状记忆合金在用于抗震结构时将面临各种各样的环境，例如用于桥梁结构会接触到水及用于建筑结构会遇到空气，这些都会让形状记忆合金出现不同的热传导率。在研究中，研究人员利用热成像仪记录下了形状记忆合金在负荷有/无交替时表面温度的变化情况。

 利用开发的模型，研究人员能够准确地预知形状记忆合金内部温度和应力的分布。模型分析所获得的结果得到了实验结果的确认。在一项测试中，他们发现给形状记忆合金慢慢施加负荷时，合金有时间将产生的热量同周围的环境进行交换，其内部产生了均匀的应力分布；然而，向合金快速施加负荷，热量无法在短时间内与周围环境交换，从而合金内部出现非均匀应力分布。

米尔扎艾法表示，他们开发的模型分析方法能够准确和快速地模拟形状记忆合金在考虑温度变化和负荷率相关性时所出现的复杂热/力耦合反应。

德斯洛奇斯教授表示，形状记忆合金向人们展示了抗震建筑和桥梁设计以及其他应用所需的独特性质：它们具有巨大耗散能量的能力，同时还会发生永久变形或严重退化。展望未来，研究人员计划分析外形更复杂的结构材料，以及多负荷（包括拉力、弯曲和扭力）的影响，以优化形状记忆合金在抗震结构中的应用。