基于NiTi形状记忆合金的新型纤维增强聚合物管连接机制研究：预紧力提升与承载性能优化

为解决FRP复合材料与金属连接难题，研究人员创新性地利用NiTi形状记忆合金(SMA)的相变特性，开发出由内钢-中FRP-外SMA管构成的三明治式连接结构。通过SMA形状记忆效应施加153.7MPa预紧力，使40mm摩擦段接头承载能力达360kN，较传统挤压法提升300%。该技术突破性地保持纤维连续性，为桥梁工程和航空航天领域提供高性能轻量化连接方案。

　　

在工程材料领域，纤维增强聚合物(FRP)因其"比强度高、重量轻"的特性被誉为"21世纪的材料之星"，广泛应用于桥梁建设和航空航天领域。然而这个明星材料却有个致命弱点——与金属的连接问题。传统螺栓连接需要在FRP上钻孔，这就像给防弹衣打洞，会引发应力集中；胶粘连接则像用双面胶固定重物，难以承受大载荷。据统计，全球每年因连接失效导致的FRP结构事故损失超过数亿美元。

针对这一行业痛点，中国某高校的研究团队另辟蹊径，从航天材料中获得灵感，创新性地将具有"变形记忆"特性的镍钛(NiTi)形状记忆合金(SMA)应用于FRP管连接。这项发表在《Smart Materials in Manufacturing》的研究，通过精妙的"三明治"结构设计——内层42CrMo合金钢提供支撑骨架，中层GFRP(玻璃纤维增强聚合物)管作为承力主体，外层NiTi SMA管充当"智能紧固件"，实现了不破坏纤维连续性的高性能连接。

研究团队采用三大关键技术：首先通过差示扫描量热法(DSC)精确测定SMA的奥氏体结束温度(A_f=4.7°C)和马氏体开始温度(M_s=-18.9°C)；其次开发低温(-80°C)扩管-室温回缩的预紧力施加工艺；最后运用COMSOL多物理场仿真建立包含Lagoudas相变模型的有限元分析(FEA)系统。特别设计不同厚度(5mm/9.7mm)SMA管和摩擦段长度(40mm/100mm)的三组试样进行对比实验。

【SMA管表征】DSC曲线证实所用NiTi合金(55.23%Ni)具有显著形状记忆效应，在体温环境下能保持稳定奥氏体相，避免预紧力衰减。

【预紧力施加】9.7mm厚SMA管产生-2248微应变，折算预紧力达153.7MPa，是传统挤压法(43-53MPa)的3倍。FEA模拟显示预紧力沿管长均匀分布，验证了实验数据的可靠性。

【承载性能】轴向压缩测试揭示：40mm摩擦段的9.7mm厚SMA管接头承载290kN，100mm段达360kN，较5mm厚接头(246kN)提升46%。但过大的预紧力导致复合材料在倒角处出现分层破坏，这通过FEA发现倒角处存在143MPa的应力集中。

【倒角优化】仿真表明将倒角尺寸从5mm-5mm调整为20mm-2mm，可使应力峰值降低35%，为工程应用提供关键设计参数。

这项研究开创性地解决了FRP连接领域的三大难题：首次实现无纤维切割的高预紧力连接，突破性消除传统工艺的预紧力衰减现象，创新性提出倒角应力调控方法。研究团队特别指出，该技术可直接应用于太空可展开结构、飞机复合材料框架等对重量敏感领域。正如审稿专家评价："这种仿生自紧式连接设计，就像给复合材料装上了'智能肌肉'，为轻量化结构带来革命性解决方案。"未来，团队计划开展200万次疲劳试验，并探索SMA在太空极端环境下的长期性能演变规律。