高阻尼鎂基復合材料研究現狀

胡耀波,鄧 娟,王敬豐,潘復生,陳玉安

(1重慶大學材料科學與工程學院,重慶400044; 2國家鎂合金材料工程技術研究中心,重慶400044)

高阻尼鎂基復合材料研究現狀

胡耀波1,2,鄧 娟1,2,王敬豐1,2,潘復生1,2,陳玉安1,2

(1重慶大學材料科學與工程學院,重慶400044; 2國家鎂合金材料工程技術研究中心,重慶400044)

簡述了鎂基復合材料阻尼性能的研究現狀,介紹了高阻尼鎂基復合材料的位錯型和界面型阻尼微觀機制,分別闡述了基體成分、增強相類型和含量、基體和增強體界面、應變振幅、溫度、頻率和處理工藝對鎂基復合材料阻尼性能的影響。簡要分析了鎂基復合材料阻尼設計思想,并對其發展方向進行了展望。

鎂基復合材料;阻尼機制;影響因素

Abstract:The research status of damping capacity of magnesium matrix composites was briefly introduced.The micromechanism of high damping magnesium matrix materials was related with dislocation movement and interfaces slip damping mechanism,and the influence of matrix components,styles and contents of reinforcements,interface between matrix and reinforcement,strain amplitude,temperature,frequency,treatment processes on damping capacity of magnesium matrix composites was respectively discussed.Finally,how to design and develop high damping magnesium matrix composites was analyzed.

Key words:magnesium matrix composite;damping mechanism;influential factor

隨著現代技術的快速發展,上至航空航天技術中飛行器的設計,下至民用空調、健身器材的使用,人們對振動與噪聲的控制都提出了更高的要求,為適應這個要求,需要研究和設計出具有更高阻尼性能的材料[1]。與其他金屬材料相比,鎂的密度最低,僅為1.78g/cm3,阻尼性能最高,當應變振幅為10-4時,阻尼值達到0.11[2],所以純鎂是一種理想的高阻尼、低密度材料,但是其抗拉強度僅為100MPa[3],彈性模量只有45GPa[4],極大影響了純鎂的廣泛使用。為充分利用鎂的高阻尼、低密度性能,解決低強度問題,嘗試在鎂基體中添加一種或多種增強體來提高其強度,獲得高強度、高阻尼、低密度的理想功能-結構材料,已成為現代阻尼材料研究的熱點之一。

本文簡述了鎂基復合材料阻尼性能的研究現狀,從微觀機制和宏觀影響因素兩方面敘述了鎂基復合材料的阻尼性能,簡要分析了鎂基復合材料的阻尼設計思想,并對其發展方向進行了展望。

1 鎂基復合材料阻尼機制

鎂基復合材料的阻尼機制主要包括位錯型阻尼機制和界面型阻尼機制。

鎂基復合材料中的位錯除基體和增強體本身所具有的位錯以外,更主要的是基體和增強體之間因熱膨脹系數不匹配,當溫度變化時會在界面附近產生熱錯配殘余應力,使基體發生塑性流變,而增加位錯密度。19世紀50年代,Granato A和Lucke K J提出了Mg的位錯釘扎模型[2],即 G-L釘扎模型,研究表明鎂基復合材料的位錯型阻尼也可以用 G-L釘扎模型來解釋[5]。在鎂基復合材料的組織中有鎂基體的析出物、雜質和增強體,它們對位錯有釘扎作用。如圖1(a)所示,位錯線的兩端被一些不可動點釘扎著,即強釘扎;中間有很多結合力較弱的雜質原子釘扎著,即弱釘扎。當應力較小時,以相鄰弱釘扎點Li(i=1,2,3)之間的位錯線為弦作“弓出”的往復運動,消耗能量;隨著應力的增加,“弓出”的弦繼續作往復運動,當達到一定值時,弦掙脫弱釘扎點,而以“雪崩”模式增加內耗,相鄰強釘扎點L之間的位錯線在應力作用下繼續作往復運動而消耗能量,阻尼值增大[2,5]。或是在低應力作用下,適當提高溫度,因為熱激活的作用,位錯線掙脫弱釘扎點的束縛所需要的應力降低,因此,當在某一溫度以上,位錯線掙脫弱釘扎點,變成又長又相對自由的位錯線而作往復運動,消耗能量,增加阻尼[6,7]。但是阻尼性能并非與位錯密度成正比,當位錯密度在一定值以下時,位錯密度越大,阻尼性能越好;但是在位錯密度增加的同時,位錯線會因位錯密度的增加而更容易發生纏結,使位錯線的有效長度下降,阻尼不再增加[7]。因此,在低溫下較好的阻尼性能存在一個最佳位錯密度。

鎂基復合材料的界面包括相界和晶界兩種類型。和鎂合金相比,鎂基復合材料因增強相的加入,分割了基體或細化了基體晶粒,產生更多的相界和晶界。在外界應力作用下,界面產生滑移,如圖1(b)所示。界面在滑移過程中消耗能量,產生阻尼[6,8]。當溫度升高,界面的結合強度相應下降[6],并且相對于增強相,基體會變得相對較軟[7],在相同應力作用下,更容易產生滑移而消耗能量,此時界面阻尼對鎂基復合材料阻尼性能的貢獻遠高于位錯阻尼。所以高溫下的鎂基復合材料的阻尼機制主要是用界面型阻尼機制來解釋[6-8]。

圖1 鎂基復合材料阻尼機制 (a)位錯運動機制[5]; (b)界面滑移機制[9]Fig.1 The damping mechanism of magnesium matrix composites (a)dislocation movement[5];(b)interface slip[9]

2 鎂基復合材料阻尼性能的研究

20世紀50至60年代人們開始對金屬基復合材料進行大量的研究,但大都集中在鋁基、銅基和鐵基復合材料[9]。1986年,David M Goddard等[10]首次采用石墨纖維增強制備鎂基復合材料,實驗發現該材料具有較好的阻尼性能。同年F C Edward等[11]專門研究了石墨纖維增強鎂基復合材料的阻尼性能,結果表明復合材料的阻尼值高于基體材料的阻尼值。到了20世紀90年代,隨著復合材料制備技術的發展和人們對高阻尼、高強度、低密度減振材料需求的增加,鎂基復合材料阻尼性能的研究得到了廣泛關注。

根據鎂基復合材料阻尼性能影響的本質不同,可以將影響因素分為內部因素和外部因素。內部因素包括基體成分、增強體種類和含量以及基體相和增強相的界面,外部因素主要包括應變振幅、溫度、頻率和處理工藝等。

2.1 影響鎂基復合材料阻尼性能的內部因素

2.1.1 基體成分

純鎂具有所有金屬材料中最好的阻尼性能[8],但是一般認為在純鎂中添加第二相獲得的鎂合金的阻尼性能都比純鎂的阻尼性能略低。為獲得高強度高減振性能的鎂系合金,合金元素需要滿足下列條件[2]:(1)在鎂中的固溶度小;(2)有細化晶粒的作用;(3)能形成具有應力集中效應大的球狀或樹枝狀的鑄造組織;(4)耐蝕性不低于傳統合金。

Zr在鎂中的固溶度小,合金阻尼性能降幅較小。孔志剛等人[12]在探討Zr含量對Mg-Zr合金組織和性能的影響時發現,Zr含量在0.1%～0.45%(質量分數,下同)范圍內,原子數量迅速增加,與位錯的交互作用增強,阻尼性能提高。而在Mg中加入固溶度大的合金元素會引起Mg晶格畸變,阻礙位錯移動,對位錯有強烈的釘扎作用,合金的阻尼性能大幅降低[13]。實驗研究證明了這一點,在Mg-0.6%Zr中添加微量元素 Y,由于 Y在合金基體中的固溶增加,使合金的應變振幅無關阻尼下降[14,15]。黃正華等人[16]研究Ce對AZ91D鎂合金力學性能與阻尼性能的影響時發現含0.7%Ce的AZ91D合金晶粒細化效果佳,力學性能較理想,阻尼性能最高(Q-1=2.728×10-3),與 AZ91D合金相比,增加了61%。

目前在對鎂基復合材料阻尼性能的研究中,選擇純鎂和AZ91作為基體的研究較多。張永錕[17]采用擠壓鑄造工藝制備并比較體積分數為20%的β-SiC晶須增強純鎂,Mg-1%Si,AZ91D三種鎂基復合材料的阻尼性能。在室溫,頻率為1Hz條件下,隨著應變振幅的增加,基體為純鎂的阻尼性能最好,Mg-1%Si次之,AZ91最差。AZ91中的合金成分相對最多,對位錯的釘扎作用相對較強,因此表現為阻尼性能最差,但是對其力學性能的測試發現結果恰好相反。

2.1.2 增強相類型和含量

通過合金化提高純鎂力學性能的同時,其阻尼性能卻顯著降低。在鎂合金中加入合適的增強體,不僅能提高鎂基材料的力學性能,而且與相應的鎂合金相比,其阻尼性能也略有增加,所以可以通過選擇合適的增強體嘗試解決鎂基復合材料力學性能和阻尼性能之間的矛盾。常用于增強鎂基復合材料的增強相有碳化硅顆粒、硅酸鋁短纖維、碳纖維、碳化硅晶須、硼酸鋁晶須等。鎂基復合材料增強方式主要有兩種:一種為單一增強,一種為混合增強。混合增強方式主要選擇兩種顆粒或者是一種顆粒與一種纖維共同增強鎂基復合材料。

張小農等人[18]研究認為,纖維增強鎂基復合材料與非纖維增強鎂基復合材料相比,其阻尼性能稍好。這主要是因為纖維的彈性模量較好,對阻尼的貢獻較大,而且復合材料的力學性能也相對較好。胡強等人[19]研究了不同體積分數的SiC顆粒增強AZ61鎂基復合材料的阻尼性能發現,體積分數為3%的 SiC顆粒增強鎂基復合材料的阻尼性能最好。研究表明,顆粒的種類、尺寸以及含量都對復合材料的阻尼性能有很大的影響。

混合增強方式較為理想的搭配是顆粒和纖維同時增強。適當的顆粒加入使界面增多[6],界面阻尼貢獻增大;纖維的彈性模量較大,對材料的阻尼性能有一定的貢獻,在材料受到垂直于纖維方向的外力時,纖維可以作為主要的受力載體,對提高材料的力學性能有很大作用。

2.1.3 基體相和增強相界面

最初研究認為鎂基復合材料的阻尼性能是鎂基體和增強相阻尼性能的疊加,但研究發現實驗值和理論值有一定差距,因此有人開始關注界面阻尼對復合材料整體阻尼性能的貢獻,也因此根據界面阻尼機制設計出理想的界面層來提高鎂基復合材料的阻尼性能。

碳纖維的彈性模量較大,常用于增強鎂基復合材料,但是基體中的合金元素容易與碳纖維發生界面反應,破壞纖維的增強效果,所以現在研究中大都采用在纖維表面涂層的方法來減小這種損害。顧金海等人[20]研究纖維增強鎂基復合材料時在纖維表面沉積一層熱解碳而獲得了一種特殊的界面層,實驗發現在溫度低于170℃時,纖維表面的碳涂層顯著提高了材料的阻尼性能。顆粒增強鎂基復合材料主要問題是顆粒容易簇集并且顆粒和基體的潤濕性不好。為解決這個問題,顧金海等人[21]在顆粒表面沉積一層涂層,研究表明,在較低溫度下,由于純鎂本身的阻尼性能,純鎂比復合材料的阻尼值高;但是隨著溫度的提高,界面阻尼的貢獻增大,有涂層和沒有涂層的復合材料的阻尼性能都超過了純鎂;在更高溫度下,有涂層的復合材料的阻尼性能超過沒有涂層的復合材料。后來,顧金海等人[22]首次建立應力有限元模型來模擬金屬基復合材料的阻尼性能,對于涂層的類型做了詳細的研究。結果表明對于彈性涂層,涂層的彈性模量越高,材料的阻尼性能越好;對于塑性涂層,軟涂層和硬涂層都有利于提高復合材料的整體阻尼性能。

2.2 影響鎂基復合材料阻尼性能的外部因素

2.2.1 應變振幅

一般而言,金屬材料的阻尼性能隨應變振幅的增加而增加,但是對于鎂基復合材料而言有所差別,不同類型和含量增強體的加入改變了材料的阻尼隨應變振幅的變化規律,可大致分為應變振幅無關阻尼和應變振幅相關阻尼。

圖2 SiCp與Al2SiO5f混合增強純鎂復合材料的應變阻尼關系[23]Fig.2 Relationship of damping capacity(Q-1)and strain amplitude(ε)of pure magnesium composite reinforced by hybrid SiCpand Al2SiO5f[23]

應變振幅無關阻尼有兩種類型,一種是大量增強體的加入給材料增加了大量的強釘扎點,當位錯線被強釘扎點完全釘牢時,不可移動位錯增加,材料的阻尼性能不隨高應變振幅的增加而增加。張小農等[23]用碳化硅顆粒和莫來石短纖維混合增強純鎂復合材料證明了這一點,當體積分數為18%時,阻尼值幾乎不隨應變振幅的增加而增加,如圖2所示。另一種是在低應變振幅下,位錯線被弱釘扎點釘扎,位錯阻尼Q-1與可動位錯密度ρ和相鄰弱釘扎點之間的距離Li有關,Q-1∝ρLi4。圖2中,當應變振幅小于10-5時,阻尼幾乎不隨應變振幅的變化而變化。

應變振幅相關阻尼會隨著應變振幅的增加而迅速增加。如圖2所示,當應變振幅大于10-5時,阻尼值隨應變振幅增加而迅速增加。這種現象可以利用 G-L釘扎模型來解釋,當應變振幅增加到一定值以后,位錯線以“雪崩”模式從弱釘扎點處掙脫,阻尼隨應變振幅和相鄰強釘扎點之間的距離L增加而增加。

2.2.2 溫度

鎂基復合材料的阻尼性能和溫度有密切關系。一般情況下,隨溫度提高,材料內部缺陷活動能力增強,界面結合能力降低,在一定的應力作用下很容易產生微滑移,阻尼性能增加,同時界面結合強度下降。但是當溫度過高時,界面的結合強度很低,在外應力作用下,滑移已不能產生內耗,阻尼不再增加,因此會出現一個最優的溫度,產生最好的界面結合,造成最大的內耗而產生內耗峰。胡強等人[19]對SiC顆粒增強鎂基復合材料的研究中分析了溫度-阻尼曲線上出現的兩個阻尼峰,如圖3所示,峰1的出現歸結為位錯阻尼機制,峰2的出現歸結為界面阻尼機制。除此之外,當溫度增加時有一些需要熱激活的阻尼源被激活,也會產生阻尼溫度峰[17]。

圖3 AZ61合金和SiCp增強復合材料的阻尼-溫度關系[18]Fig.3 Relationship of damping capacity and temperature of AZ61 magnesium alloy and its composite reinforced by SiCp[18]

2.2.3 頻率

分析頻率對阻尼性能的影響一般都與討論溫度對阻尼性能的影響聯系起來。對于復合材料而言,低頻阻尼要高于高頻阻尼,即當測量頻率增大,阻尼值減小。主要原因在于復合材料阻尼性能的產生是源于位錯的運動和界面的微滑移,在交變應力下,頻率越大,兩者在一次循環中的位錯移動越小,能耗越小,材料的阻尼值越低[17,24,25]。張修慶等人[26]采用原位合成TiC增強AZ91鎂基復合材料,研究了其阻尼溫度頻率之間的關系。當應變振幅不變,溫度在室溫到250℃范圍內,測量頻率分別為0.1,0.5,1,2.0Hz,測試頻率越大,阻尼值越低。

2.2.4 處理工藝

目前,對鎂基復合材料熱處理后阻尼性能的研究主要集中在固溶、時效、熱循環三種熱處理方式[23]。張修慶等人[27]采用原位合成法制備 TiC增強AZ91鎂基復合材料,研究在420℃固溶處理(T4)和固溶后時效處理14h(T6)后的材料阻尼性能時發現,熱處理降低了熱激活能,增加了可移動位錯的有效長度,有利于提高鎂基復合材料的阻尼性能。Z Trojanova等人[28]采用擠壓鑄造法制備了體積分數為3%Al2O3纖維和體積分數為20%SiC顆粒增強QE22復合材料,并對其從室溫到不同溫度(40～400℃)進行熱循環處理,實驗發現熱循環終止溫度低于300℃時,熱循環處理增加了材料的位錯密度和弱釘扎點之間的有效距離,阻尼隨溫度升高而增大;高于300℃時,因界面的結合強度顯著降低,即使有微滑移,但已不足以消耗能量,阻尼隨溫度的增加而降低。

對鎂基復合材料變形處理后的阻尼性能研究較少,但已有的研究表明,變形后復合材料的阻尼性能下降。張小農等[29]對不同狀態下的 SiC顆粒和 Al2(SiO3)3短纖維混合增強鎂基復合材料進行了阻尼性能測試證明了擠壓態的阻尼性能比鑄態的阻尼性能低,所以可以認為變形處理不利于阻尼性能的提高。

機械循環對鎂基復合材料阻尼性能的影響研究很少。A.Mielczarek等人[30]研究了室溫下,重復彎曲對Al2O3/QE22鎂基復合材料應變振幅無關阻尼性能的影響,隨著彎曲重復數的增加,可移動位錯有效長度減少,應變振幅無關阻尼降低,其原因在于基體塑性變形導致復合材料位錯和位錯,位錯和界面之間發生了交互作用。

3 鎂基復合材料阻尼設計和發展方向

張小農[18,31]在探討高阻尼金屬基復合材料的發展途徑中認為,高阻尼金屬基復合材料的設計可以通過以下三種途徑實現:選擇高阻尼性能的金屬基體,高阻尼的增強體和設計高阻尼的基體、增強體結合界面。但是從復合材料的強化機制和阻尼機制來說,材料的力學性能和阻尼性能是相互矛盾的。從位錯的釘扎-脫釘角度,較好的力學性能需要有更多的強釘扎點,但是高的阻尼性能要求恰好相反;一定的溫度范圍內,隨溫度的提高,材料界面發生微滑移,消耗能量,從而產生高的阻尼性能,但同時力學性能因界面結合不好而會相應下降。所以現在要解決的問題是協調鎂基復合材料力學性能和阻尼性能之間的關系[32],使兩者共同達到最理想值。

從現在的研究來看,擇優選擇增強體混合增強鎂基復合材料和設計較好的基體與增強體之間的結合界面,增加界面過渡層是已有研究方案中兩個較好的阻尼設計方案。但混合增強體的最優化配比和界面過渡層的阻尼機制和界面反應還需要進一步的研究,所以混合增強鎂基復合材料和設計較好過渡層仍是今后鎂基復合材料發展的兩個重要方向。

在選擇制備方法上,外加增強鎂基復合材料的研究較多,但近年來原位合成增強鎂基復合材料的研究逐漸增多[7,8,26]。外加增強相獲得的鎂基復合材料的主要缺點是存在界面反應并且基體和增強相之間的潤濕性較差,而原位合成的增強相在基體中分布更均勻,顆粒更細小。TiC陶瓷顆粒因硬度高、密度低、彈性模量高、耐磨性好等原因成為原位合成高阻尼鎂基復合材料增強相的首選。

處理工藝對鎂基復合材料阻尼性能影響的研究較少,通過初步的研究論證熱處理工藝對提高鎂基復合材料的力學和阻尼性能都有一定的作用。已有研究人員提出通過熱處理或是選擇合適的表面活性劑和表面處理方法處理增強相促使鎂基復合材料發生馬氏體相變產生孿晶型內耗,增加鎂基復合材料新的阻尼機制[5]。但是這一構想還未完全實現,需要進一步研究。

4 結束語

相對于鋁基復合材料而言,對鎂基復合材料阻尼性能的研究起步較晚,其理論知識體系還不成熟,需要大量的科研工作者投入更多的時間與精力研究并設計出兼具高強度、高阻尼、低密度的鎂基復合材料,適應社會的需要。

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Research Status of Magnesium Matrix Composites with High Damping Capacity

HU Yao-bo1,2,DEN GJuan1,2,WANGJing-feng1,2,PAN Fu-sheng1,2,CHEN Yu-an1,2
(1 College of Materials Science and Engineering,Chongqing University,Chongqing 400044,China; 2 National Engineering Research Center for Magnesium Alloys,Chongqing 400044,China)

TB331

A

1001-4381(2010)01-0089-05

國家重點基礎研究發展計劃(2007CB613704);國家科技支撐計劃(2007BAQ00134-04);重慶市科委科技計劃重大項目(CSTC, 2008AB4114)

2008-12-31;

2009-11-17

胡耀波(1974—),男,博士,副教授,主要從事鎂合金材料的研究工作,聯系地址:重慶市沙坪壩區沙正街174號重慶大學材料學院(400044),E-mail:yaobohu@cqu.edu.cn