一、阻尼合金的发展和应用
降低结构振动和噪声的方法通常有3种：增加结构的质量和刚性，以减少振幅。减少结构共振；采用高阻尼材料实现吸振和隔振。高阻尼材料通常分为2类：一种是有机材料及其系
统，另一种是金属材料及其系统。金属阻尼材料的强度和硬度高，适合各种结构减振。
阻尼、超塑性和形状记忆性能是材料的3大功能特性，阻尼能够将材料的机械振动能量通过内部耗散机制不可逆地转变为其它形式的能量，如热能或声能。金属材料的阻尼功能特性得到了广泛应用，具有十分重要的研究和应用价值。1964年，Birchon首先提出高阻尼金属材料“HIDAMETS”(HighDampingMetals)，高阻尼金属材料开始成为解决振动问题的一种候选方案。高阻尼金属“HIDAMETs”或高阻尼合金“HIDALLOYS”，其阻尼性能优良(内耗值Q1≥lO。2)。1960年，美国将锰铜(MnCu)合金用于军事用途，如用于制造潜艇、鱼雷和舰船螺旋桨，并注册“Sonostone”商标，该合金也被用于降低挖掘机的声压级，降低了约7dB，该合金被制成螺栓后用于潜艇和碎石机，使其声压水平降低约l／5。
日本开发了铁铬(FeCr)合金和铁铝硅(FeAlSi)合金等阻尼合金，注册商标为“silentalloy。和“serenal等，主要用于铁路和船舶工业。阻尼合金在减振降噪方面有广阔应用前景，但高强度阻尼合金的阻尼性能普遍偏低，远不能满足很多高阻尼要求的场合使用，因此需要解决阻尼合金的阻尼性能和力学性能匹配问题。
材料的阻尼性能是结构与机械设计中的重要性能，涉及机械共振、疲劳、噪声、仪器滞后现象和循环应力下的发热等问题。在交变载荷作用下，材料或结构往往在小于其屈服应力的情况下发生疲劳失效，但高阻尼材料的应用能够降低材料疲劳变形的水平，从而减低疲劳危害。对易受疲劳破坏的部件，如汽轮机的叶片，改用镍基高阻尼合金制造后，使用寿命可以成倍增加。对容易产生振动和噪声的结构，如发动机和机床等，其底座或外壳一般都采用铸铁或铸铝，以达到提高阻尼、降低振动和噪声的目的。用高阻尼合金制造的切削刀具，由于振动幅度小，既能减小噪声又能提高机械加工的精确度。
近年来，国内外对阻尼合金的研究发展得都很快，并取得了显著进展，阻尼合金在航空航天工业，汽车工业、家电行业、船舶工业已经得到广泛应用。我国在阻尼合金的研制和
应用方面取得了一些成果，如我国用“2310”MnCu合金制造潜艇螺旋桨可使噪声降低5～10dB，振动降低3～10dB l洛阳铜加工厂(现洛阳铜加工厂集团有限责任公司)研究成功了MnCu三元合金，并在船舶工业中进行应用试验；北京航空材料研究院运用快速凝固／粉末冶成功研制出铝合金／铝、铝合金／锌铝2种系列的低密阻尼金属复合材料。华东船舶工业学院制备了高阻尼的铜铝铍(CuAlBe)形状记忆合金，并研究了该合金在舰艇螺旋桨上应用的可行性。欧盟委员会资助的。MansideProjeet”是开发形状记忆合金阻尼性能的最大专项研究，内容包括装置和结构理论设计、材料表征和零件设计、零件结构和测试、阻尼系统测试，近年来对钛镍(TiNi)，铜锌铝(CuZnAl)和铜铝铍合金的阻尼特性进行了研究。从20世纪80年代至今，我国先后有哈尔滨工业大学、北京航空材料研究院、西北有色金属研究院、北京有色金属研究总院等多家单位对TiNi形状记忆合金进行了较深入的研究，取得了大量实验数据，在TiNi合金的成分设计、材料加工、产品开发应用，包括常规力学性能、超弹性、记忆性能、阻尼性能、疲劳性能的表征评价方法和测试系统等方面取得了丰硕的成果。我国研究人员还对超弹型和马氏体型高阻尼TiNi形状记忆合金进行了初步研究。
TiNi基形状记忆合金和MnCu基形状记忆合金的热弹性马氏体表现出很优异的减振能力，比传统的结构金属材料至少要高1个数量级。TiNi和MnCu合金是孪晶阻尼特性最好的2
种高阻尼材料，MnCu合金已经广泛应用于舰船的水下减振降噪，而TiNi合金具有比MnCu合金更优异的力学性能(延伸率)、断裂强度、耐腐蚀性能，是目前应用最广泛的形状记忆材料，但是由于该合金在马氏体状态的屈服强度较低，其作为高阻尼材料的应用受到极大限制。如果在保持阻尼性能的同时，显著提高材料的屈服强度，将会拓宽合金的应用领域。针对材料的阻尼性能和屈服强度不匹配的问题，许多学者提出采用金属基复合材料提升阻尼材料的屈服强度。在形状记忆合金作为阻尼材料的开发利用上，通常需要注意到以下2点：一是使材料在马氏体状态下使用，即合金的马氏体相变的终了温度高于工作温度，二是增加相变内耗峰的宽度，使材料能在更宽的温度范围内工作。
二、形状记忆合金阻尼机制
阻尼的本质是把机械能转换为热能，抑制合金部件传递连续、等幅的应力冲击。形状记忆合金把机械能转换为热能主要有3种机制，即内耗机制、马氏体孪晶再取向机制、应力诱发马氏体机制，每种机制适用于不同的频率范围、温度和应力／应变能，因此，应根据每种机制的限制和应用需求来考虑阻尼部件的使用机制。
内耗机制(Intemal Friction，IF)是指能量吸收机制在于马氏体和奥氏体界面、或者马氏体变体界面间的滑移，发生的温度范围窄，界面运动能垒非常低。内耗机制的特征是每次
应力循环吸收能量特别小，其作用频率范围特别大，但高内耗温度范围窄(约15～20℃)，这限制了该机制的阻尼应用只能在预先确定的温度范围内和某些振动范围内工作。虽然内耗机制能吸收的应变非常小，但在高频率下的工作效果非常有效，因此适合于声音或机械振动阻尼应用，应用的形式可以是板材，用于产生噪声部位的密封。或连接振动部件到系统。通常，TiNi合金在马氏体相和两相区都具有出色的阻尼性能，通过动态粘弹试验DMA三点弯曲法测试出TiNi合金的两相区阻尼值tan 6最高达到0.17。
马氏体孪晶再取向机制是指马氏体变形首先以孪晶的再取向方式发生，即在施加的变形条件下不利取向的变体消失，有利取向的变体则长大。这个过程的局限在于，所有的孪晶
变体将协调趋向于形成一个最有利于变形的单一变体。形状记忆合金的孪晶变体的变化，既没有损坏作用也没有加工硬化，与传统材料的位错滑移机制不同，这种变形的变形量大，可回复，并且可反向压缩相同的应变达到几千次而不产生破坏和失效。在多晶TiNi合金中，单轴拉伸应变达8％，马氏体孪晶再取向的变形应力与相变温度滞后密切相关。对于二元TiNi合金。滞后约为25—30℃．相变温度附近的变形应力约为100～150MPa。添加少量铜后，滞后约为lO℃，变形应力急降到30一50MPa。但是。含铜TiNi合金的孪晶再取向的变形内耗极低，使其对变形的能量吸收也非常低．因此不适合做阻尼合金。相反。添加锆和铪的Ti N i合金。其相变滞后增加，同时相应增加孪晶再取向的变形应力，因此更具作为阻尼材料的潜力。虽然马氏体经过几千次拉伸和压缩循环，应力和应变行为不会有显著改变，但是在反复的循环条件下，如果不能有足够的冷却，由于变形生热而导致
温度高于相变温度时就会出现问题。因此，马氏体型阻尼器的主要缺陷在于变形后应变不能回复原状，阻尼器和整体结构必须靠外力回复到原来的形状。这些表明马氏体变形机制阻尼器须附带能往复变形的机构。
应力诱发马氏体机制的特征是：超弹性应力一应变曲线上显示出诱发马氏体的应力远高于马氏体逆相变的应力，形成了开环旗帜形状的曲线。在应力诱发马氏体作为阻尼应用条件下，需要进行几百次的应变循环以稳定TiNi合金的这种行为，以保证精确的原始尺寸的复原。超弹型阻尼装置的主要特征是：在变形后，形状记忆合金有强大的驱动力能回复到原始形状，因此阻尼器和附带的结构能还原到初始形状。尽管超弹型形状记忆合金的回复应变范围很大，拉伸状态可达8％，压缩状态可达12％，但是，最初1.5％～批的应变遵守Hookian弹性模式，没有能量吸收，直到超过这个应变水平，超弹型形状记忆合金在该应力和最大应力之间循环才可以吸收能量，因此，通过适当机构设计就可获得拉伸和压缩阻尼装置。和马氏体变形不同，超弹型阻尼器有利于使用长、细、薄的器件，如长丝、薄片，在等轴状态拉伸，然后当拉伸力卸载时，回复到原始形状，由于加工量大，组织细化，这种应用形式具有最好的机械性能。形状记忆合金丝材的拉仲应力一应变行为在经过初始循环后改变很大，需要几百次循环才能达到完全循环稳定。
三、TiNi形状记忆合金阻尼构件的应用
TiN i形状记忆合金不仅具有大变形回复和能量消耗能力，而且强度高、抗疲劳、抗腐蚀和耐磨性能好，是结构振动控制的理想阻尼材料。TiNi合金在振动控制领域的应用表现为不
同的应用形式，以起到吸振、隔振的作用。其中，TiNi合金金属橡胶是由形状记忆合金丝制成，其制造过程是先将超弹性的形状记忆合金丝材绕成螺旋状，然后再拉伸放入模具中预压成型。在受到外界的振动与位移激励时，金属橡胶内部的TiNi金属丝之间发生千摩擦、应力诱发马氏体相变和弹性储能，从而耗散能量，起到减振和缓冲作用，同时弹性储能起到复进和回复原形的作用。TiNi合金金属橡胶的优点是可以制成各种复杂形状，占用空间体积小，具有较高的阻尼特性，同时，形状记忆合金丝材具有较高的疲劳性能，可持续减振；但是在承受较大冲击条件下，合金幺幺材易断裂，降低减振效果。TiNi合金金属橡胶的典型应用是管路固定，也可广泛用于阻尼、减振、密封、过滤、节流及吸声降噪等
用途。研究表明，与普通金属橡胶力学特性相比，TiNi合金金属橡胶的迟滞回线包含的面积明显大于普通金属橡胶，说明形状记忆合金结构的迟滞阻尼性能要优于金属橡胶构件，能量耗散能力要比普通金属橡胶高出10％；并且形状记忆合金构件的刚度小于金属橡胶，其迟滞特性比较稳定。
TiNi形状记忆合金锥形阻尼器可用于土木工程结构或海洋平台结构，振动发生后，工程结构发生侧向变形，阻尼器也相应向侧向发生运动，由于受剪切而发生变形，当位移大时阻
尼器本身进入超弹性，由于形状记忆合金的可回复应变大，所以能发生很大的剪切变形，当卸载时，阻尼器又回复原来的形状，从而消耗能量，起到限位和耗能的作用。TiNi形状记忆合金锥形阻尼器具有耐腐蚀、抗疲劳、超弹性、寿命长，能有效消耗地震能量，减少地震给土木工程结构或海洋平台结构带来损伤的优点。
TiNi形状记忆合金材料制成的阻尼器多是以超弹性丝材为主的拉索型阻尼器，具有自复位功能，其工作原理是：将处于母相的超弹性丝或者弹簧复合在构件中，振动时载荷促使合金发生超弹性变形，从而吸收大量振动能量。超弹性丝材应力一应变曲线上，超弹性应变量可达8％，滞回曲线面积大，残余应变小，展现出较好的阻尼耗能能力和自复位能力。超弹性丝材在超弹性滞回耗能曲线的应力水平之间循环可吸收能量，通过适当机构设计可获得拉伸和压缩阻尼性能。超弹性丝材阻尼器具有抗疲劳好、抗蚀性强、可回复变形大及性能稳定等优良特性；但是，这种阻尼器在实际工程应用中有一定的局限性，是由于实际工程需要的阻尼力和耗能量都很大，超弹性丝材阻尼器为满足上述要求就必须增大截面面积或阻尼器尺寸，需占用较大的空间，结构设计复杂。
超弹性形状记忆合金复合摩擦阻尼器是一种有应用潜力的工程结构减振控制装置，能对工程结构提供阻尼耗能作用和输出控制力，以被动控制结构的振动；同时，阻尼器与结构
共同运动过程中，在不同的位移状态下具有变刚度的特性。在利用形状记忆合金的超弹性阻尼和内、外滑条的接触面上的相互摩擦来耗散能量的同时，超弹性形状记忆合金复合摩擦阻尼器还对工程结构产生一定的输出力和提供变刚度，而且具有抗疲劳性好、阻尼能力强、可回复变形大及性能较稳定等优点。TiNi合金具有较高的抗磨损性能，适合做摩擦阻尼减振器：一方面，应力诱发马氏体相变引起超弹性作用，在外力作用下，处于超弹性状态的母相发生马氏体相变，而当外力消失后，马氏体发生逆相变重新转变为母相，这种相结构的变化可以有效地耗散外界作用在材料表面的能量，使TiNi合金中损伤能量的累积很低；另一方面，马氏体的相互协调导致高弹性，在磨损过程中，合金中的马氏体变体在外力作用下重新取向，部分应变能由于其相互协调而被消除，既使达到较高的应变，马氏体变体亦很难发生相互滑移，组织中不易形成位错，合金中损伤能量的累积同样较低。在磨损过程中，具有母相结构的合金的变形主要以应力诱发马氏体的相变及逆相变方式进行，而马氏体的变形主要通过孪晶界的移动方式进行，TiNi合金的超弹性对提高其抗磨性能具有重要作用。
除了利用TiNi合金的形状记忆效应对结构振动进行被动控制，利用形状记忆效应还可实现对结构的主动控制或半主动控制。将马氏体状态的形状记忆合金幺幺材(棒材、板材)安装
到驱动装置或埋在结构中，利用其形状记忆效应和电阻特性，通过对形状记忆合金丝材(棒材、板材)通电或外部加热，使材料发生马氏体相变，材料受限凹复时将产生很大的同复力或者受热发牛部分相变。调整复合材料或结构的振动频率。通过控制改变TiNi形状记忆合金的马氏体含量，可以对悬臂梁自由振动进行控制。在莺复载荷作用下，混合相TiNi丝能够提供较大较稳定的阻尼，奥氏体相的阻尼随温度升高变化较大，而马氏体相和混合相阻尼随温度变化较小，且混合相的阻尼能够在相对较大的温度范围内保持稳定。超弹性Ti N i合金棒材和板材，由于尺寸较大而导致其耗能能力降低，但复位性、抗疲劳性好，因此更适宜用作隔振系统的限位装置和构件锚固件。马氏体相的大尺寸TiNi形状记忆合金，能吸收较大的能量，可作为耗能元件，但其残余变形需加热回复。
在土木工程领域，将常温下预应变的TiNi合金丝粘贴在构件易产生裂纹或应力集中较大的地方。或将其埋入结构构件中，在载荷作用下，通过监测TiNi合金丝的电阻值，可以了解
构件内部应力或应变的变化，从而自诊断材料的损伤；通电加热TiNi丝或利用其超弹性产生回复力，可以减少裂纹的应力集中，降低裂纹扩展速率，最终使裂纹愈合，从而起到传感和驱动作用，实现结构无冗余智能控振。在土木工程和航空航天领域，可将TiNi合金与其它材料复合形成高阻尼的复合防振材料，达到减振降噪的作用。
TiNi形状记忆合金智能复合材料，特别是智能混凝土，可有效提高结构的抗震、抗毁性能，是土木工程防灾减灾的发展方向。
四、形状记忆合金阻尼材料和结构阻尼性能设计思路
为了开发性能更为优良的阻尼器用于结构的减振控制，选用高性能材料并进行合理的陲l尼器结构设计是有效途径之一。形状记忆合盒不仪具有很高的l川复驱动力。而f1I在商温下的超弹性及低温下的形状记忆效应都具有高阻尼的特性。超弹型形状记忆合金可制作出工程结构减振控制阻尼器．且制作出的阻尼器具有抗疲劳性好、阻尼能力强、可回复变形大及性能较稳定等优点。各种相关研究结果表明，形状记忆合金具有成为优异阻尼器材料的潜能。形状记忆合金在每次应变循环内吸收的能鼍高，服役的频率和温度范围能满足要求，稳定性和寿命都能被接受，可以加工成任何形状。但是，目前形状记忆合金在土木工程、海洋平台等领域的研究还局限于理论研究和试验阶段。
为推动形状记忆合金阻尼材料和结构在实际工程中的应用，还需通过材料和结构设计、阻尼功能设计、振动试验数据采集和模拟计算比对，使设计出的材料和结构能够达到不同减振需求的阻尼性能指标。根据超弹型和马氏体型TiNi合金阻尼特性，开发丝材、棒材、板材、弹簧等不同形式的阻尼结构设计和应用，开发钛镍铜(TiNiCu)基、钛镍铪(TiNiHf)基、钛镍铂(TiNiPt)基等高温、高强、高阻尼TiNi合金材料，研究其阻尼机理及应用基础，加强TiNi基高阻尼合金材料及结构设计方面的知识产权保护和应用推广。针对形状记忆合金阻尼材料力学性能和阻尼指标匹配的问题，需要突破使用温度限制，优化结构设计，需进一步加强基础研究，建立不同温域合金的阻尼性能和力学性能数据库，建立针对不同使用要求和环境的材料及结构阻尼性能测试标准，建立充分考虑使用要求和环境的测试平台与设备系统，开发不同基体和不同耦合体的复合体材料，并表征测试阻尼特性与力学行为，研究不同载倚、频率和环境温度埘形状记忆合金材料和结构的力学性能与阻尼行为的影响规律。
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