Al18B4O33w/Bi/Al復合材料室溫阻尼和力學性能

劉 剛，胡 津

(1.哈爾濱工業大學材料科學與工程學院，150001哈爾濱;2.哈爾濱理工大學應用科學學院，150080哈爾濱)

高阻尼容量是工程結構材料最重要的性能之一.眾所周知，材料的高阻尼常常伴隨著低的強度，因此開發兼具高阻尼和高強度的材料一直是人們研究的熱點.金屬基復合材料不僅具有較高的強度和模量，還具有良好的機械阻尼性能，是目前最具有發展前途的結構-功能型阻尼材料之一［1-4］.

在金屬基復合材料的研究中，增強體/基體界面始終是人們關注的焦點，因為界面區的狀態不僅強烈地影響復合材料的機械性能而且對其阻尼特性同樣也產生顯著效應.因此合理選擇界面相并深入研究其質量分數、形態及分布對復合材料界面狀態的影響與規律，從而進行有效的調整及控制界面，是獲取高性能復合材料的關鍵［5］.

近年來，硼酸鋁晶須增強Al基復合材料因晶須的價格低廉和復合材料性能優異而備受關注［6-7］.在復合材料中，晶須涂覆通常有下列作用:1)提高基體和增強體的結合強度，防止界面反應;2)提高復合材料熱擠壓和熱壓縮的成形能力.此外，復合材料中的應力分布和微觀結構同樣也受晶須表面涂覆的影響.因此對晶須表面進行涂覆，可使復合材料的性能得到改善［8-9］.J.H.Gu等［10］研究了增強體(纖維或顆粒)涂覆對復合材料阻尼性能的影響.結果表明，增強體表面涂覆不僅可提高復合材料的阻尼性能，而且使復合材料的阻尼機制也發生了改變.

雖然有關增強體表面涂覆對金屬基復合材料阻尼性能影響的研究較多，但有關晶須表面涂覆對復合材料阻尼性能影響的研究還鮮有報道.已有研究表明，Bi2O3涂覆硼酸鋁晶須增強純Al基復合材料的阻尼性能比未涂覆的復合材料有很大提高.同時發現，在測試溫度范圍內，涂覆復合材料的阻尼性能強烈依賴于晶須表面涂覆物的含量［11］.本文重點研究Bi2O3涂覆硼酸鋁晶須增強純鋁基復合材料在室溫下的阻尼性能和拉伸性能，并探討涂覆復合材料的室溫阻尼機制.

1 實驗材料及方法

硼酸鋁(Al18B4O33)晶須d=0.5～1.5 μm，l=10～30 μm，通過化學共沉積方法將Bi2O3涂覆在晶須表面.晶須預制件在830℃下燒結并保溫30 min以獲得高強度的預制件.

采用擠壓鑄造法制備晶須體積分數約為20%的復合材料，其中:m(Bi2O3)∶m(Al18B4O33)分別為1∶20、1∶10、1∶6.為了便于描述材料為20ABOw/Bi/Al、10ABOw/Bi/Al、6 ABOw/Bi/Al.

采用荷蘭Philips公司生產的X’Pert型衍射儀對復合材料進行物相分析，實驗選用Ka銅靶，管電壓40 kV，管電流40 mA.利用日立S-4700掃描電子顯微鏡觀察晶須表面形貌.利用荷蘭FEI公司生產的TECNAI G2型透射電子顯微鏡對復合材料的界面及位錯組態進行觀察，操作電壓300 kV.阻尼性能測試是在美國TAQ800動態機械熱分析儀上完成的，實驗采用單懸臂方式.試樣尺寸為36 mm×6 mm×1 mm.試驗參數為對應變振幅為5×10-6～1.5×10-3，1×10-3～4×10-3范圍內的室溫阻尼性能也進行了測試，測試頻率為1 Hz.拉伸測試在Instron 5590拉伸試驗機上進行.拉伸試樣尺寸長度為52 mm，厚度為1 mm，拉伸試樣形狀與J.Hu等［12］所用的一致.所有拉伸試驗的應變速率均為0.5 mm/min，每個狀態復合材料測試3個樣品.

2 實驗結果

圖1為涂覆晶須的表面形貌與結構分析.由圖1(a)中可見，Bi2O3顆粒均勻且非連續地分布在晶須表面.XRD檢測結果證實了分布在晶須表面的顆粒為Bi2O3，相應圖譜如圖1(b)所示.

圖2為6ABiOw/Bi/Al復合材料界面處微觀組織結構的TEM照片.由圖2可見，涂覆物分布在晶須與基體的界面處(如圖2(a)、(b)).圖2(a)中涂層A處的選區電子衍射花樣分析結果表明界面相為單質Bi.涂覆復合材料的XRD測試結果同樣顯示出單質Bi的存在.

根據上述分析及已有研究表明，在擠壓鑄造過程中Bi2O3與Al發生反應，反應方程式為

根據Al-Bi二元合金相圖可知，Bi在純Al中幾乎不溶，所以反應生成的Bi存在于晶須/基體界面處［14］.

圖2(b)為6ABOw/Bi/Al復合材料界面附近的位錯組態.在界面附近的基體中存在許多位錯.由于基體Al和晶須的熱膨脹系數不同，ABOw/Al復合材料從高溫冷卻下來，熱膨脹系數巨大的差異導致晶須/基體界面附近位錯密度提高.由于Bi的熱膨脹系數與Al相差不大，所以高密度位錯同樣存在于涂覆復合材料中.圖2(c)為圖2(b)中復合材料界面處的高分辨透射(HRTEM)照片.從圖2中可見，涂層與晶須之間結合良好，界面處未見孔洞等缺陷存在，但在涂層內部可明顯觀測到較高密度的位錯存在.

圖2 6ABOw/Bi/Al復合材料界面處微觀組織形貌

圖3為涂覆復合材料的拉伸應力-應變曲線.可以看到3條涂覆復合材料的拉伸曲線呈現相似特征，說明它們的拉伸斷裂行為是一致的.圖4是涂覆復合材料的抗拉強度(UTS)和斷裂延伸率δ隨wBi2O3變化曲線.涂覆后復合材料的UTS和δ隨著涂覆量的增加而降低，說明涂覆導致復合材料的拉伸性能有所損失.

圖3 涂覆復合材料的拉伸應力-應變線

圖4 wBi2O3對復合材料的抗拉強度和斷裂延伸率的影響

圖5為涂覆復合材料的拉伸斷口形貌.當晶須表面的涂覆量不同時，復合材料的斷口組織形貌存在較明顯的差異.在20ABOw/Bi/Al復合材料中(圖5(a))可見很多的韌窩，微孔數目極少，晶須拔出與脫落的現象很難觀測到.表明在20ABOw/Bi/Al復合材料中發生了韌性斷裂，揭示出復合材料具有較強界面結合，導致相應的UTS和δ較高.隨晶須表面涂覆量增加，涂覆復合材料斷口表面的微孔數目明顯增多.在6ABOw/Bi/Al復合材料(圖5(b))中，可以看到很多微孔以及晶須拔出與脫落現象.文獻［9］對斷口表面微孔的形成進行了解釋.文獻［9］認為一方面是由于基體和晶須結合強度不高，拉伸過程中晶須被拔出留下了痕跡;另一方面是由于基體和晶須的潤濕性較差，在擠壓鑄造過程中，液態鋁很難填充到某些晶須之間的微小縫隙處而產生孔洞.圖5(b)中出現的大量孔洞表明其界面結合較差，因此相應的力學性能較低.

圖5 復合材料的斷口形貌

圖6為室溫條件下應變振幅對涂覆復合材料阻尼性能的影響.圖6(a)為應變振幅為5.0×10-6～1.5×10-3，頻率為1 Hz時涂覆復合材料的阻尼-應變譜.在測試區間內，復合材料的阻尼值隨著涂覆量的增加而增加.

在高應變振幅下，涂覆量對復合材料阻尼的影響更為顯著.3條阻尼曲線的形狀有著相似的特征.

曲線均可分成3個部分:1)阻尼不依賴于應變振幅區域(Ⅰ區);2)阻尼隨應變振幅增加緩慢增加區域(Ⅱ區);3)阻尼隨應變振幅增加迅速增加區域(Ⅲ區).在低應變振幅區域(Ⅰ區)阻尼容量基本保持不變，然后隨應變振幅的增加緩慢增加(Ⅱ區).在低應變振幅下(4×10-4)出現一個阻尼峰.當應變振幅超過6×10-4后，涂覆復合材料的阻尼值隨著應變振幅的增加而迅速增加(Ⅲ區).圖6(b)為高應變振幅區間內涂覆復合材料的阻尼-應變譜.涂覆復合材料的阻尼性能隨著應變振幅和涂覆量的增加顯著增加.由圖6可知，無論是低應變振幅還是高應變振幅條件下，涂覆量越大復合材料在振動下所消耗的能量越大，因而無論在何種應變振幅下，復合材料的阻尼容量均隨涂覆量的增加而增加.

圖6 涂覆復合材料的阻尼-應變譜

3 分析討論

根據上述結果可以表明，在擠壓鑄造過程中通過Bi2O3和基體Al發生原位反應，將Bi引入到復合材料界面處.界面處Bi的質量分數隨著涂覆量的增加而增加，涂覆量強烈影響著復合材料室溫下的拉伸性能和阻尼性能.

文獻［9］研究了ZnO涂覆硼酸鋁晶須增強鋁基復合材料的拉伸性能，發現復合材料的UTS隨涂覆量的增加而迅速增加.但隨涂覆量增加時，δ呈現先增加后降低的趨勢.本文研究發現，SnO2涂覆硼酸鋁晶須增強的純鋁基復合材料的UTS和δ隨涂覆量的增加而迅速增加.

在本文中，復合材料的拉伸性能和斷裂延伸率均隨晶須表面涂覆物質量分數的增加而降低.這與已有研究不盡相同.復合材料在擠壓鑄造過程中，Bi2O3和液態鋁的界面反應有效地改善了晶須和基體的潤濕性，提高了液態鋁向預制件中的滲透能力，液態鋁就會依靠界面反應很容易填充到晶須間的空隙處，能夠減少復合材料中微孔洞的數量，有助于提高復合材料的拉伸性能.但是隨wBi2O3提高，界面反應產物如低強度的Bi和脆性的Al2O3，以及未反應掉的脆性wBi2O3都會增加，這些低強度物質都存在于晶須和基體的界面上，降低了界面強度.低強度的界面層在較小的外力作用下就會發生斷裂，裂紋很容易沿著晶須和基體的界面擴展，導致UTS和δ隨涂覆量的增加而降低.

復合材料的阻尼性能受諸多因素影響，如復合材料的微觀結構缺陷，位錯振動、界面滑移等.在低溫下，位錯對材料的阻尼性能起主要的貢獻.

在復合材料中，位錯可能被釘扎，強釘扎點如相界面，弱釘扎點如溶質原子［13］.在低應變振幅下(＜1×10-3)，通過位錯振動消耗的能量較少.所以涂覆復合材料的阻尼性能微弱的依賴于應變振幅，隨著應變振幅的增加，伴隨著位錯可動性的增強，有些弱釘扎點釘扎的位錯脫釘，而位錯仍然被強釘扎點所釘扎，位錯振動所產生的能量消耗不會明顯增加，而當應變繼續增加時可能造成位錯“雪崩”式的脫釘，由此引發的機械能消耗迅速增加，由此產生了位錯阻尼峰(圖6(a)).

值得一提的是，阻尼性能不僅隨著應變振幅的增加迅速增加，而且在測試的應變范圍內，涂覆復合材料的阻尼性能隨著涂覆量的增加而增加.一方面由于冷卻過程中界面應力集中易在低強度的Bi(32 MPa)涂層中產生較高密度的位錯、位錯環等缺陷;另一方面，涂層質量分數的增加會降低基體中的應力使得位錯纏結程度降低，增加可動位錯的密度，這應是導致復合材料阻尼性能隨涂覆量的增加而提高的主要原因.

對于金屬基復合材料界面同樣是內耗的有效來源.界面滑移導致的摩擦損失的能量是產生阻尼的重要因素之一.由于熱激活或者為克服摩擦阻力在界面產生的剪切應力，發生界面滑移.在室溫下，界面滑移很難發生.通過上述分析可知，低應變振幅條件下，涂覆復合材料的阻尼機制主要為位錯機制.隨著應變振幅的增加，可滑動界面之間消耗了更多的能量，所以阻尼性能大幅提高.此外，界面結合強度越低，界面越容易滑移(相同應變振幅的情況下).所以，能量損失大的復合材料會有更好的阻尼性能.上述分析可知，界面結合強度隨涂覆量的增加而降低，因此，在高應變振幅下，復合材料阻尼性能的增加是由于界面滑移導致的能量損失.

4 結論

1)無論在何種應變振幅下，涂覆復合材料的阻尼容量均隨涂覆量的增加而增加.

2)涂覆復合材料的UTS和δ隨著Bi2O3涂覆量的增加而降低，涂覆復合材料UTS和δ降低的主要原因是由于界面處脆性相Al2O3及軟化相Bi的增多造成的.

3)在涂覆復合材料的阻尼-應變曲線中，在應變振幅約為4×10-4處出現了一個對應位錯脫釘過程的阻尼峰.

4)涂覆復合材料的阻尼機制在高應變振幅下強烈依賴于應變振幅，當應變振幅超過6×10-4后，界面滑移成為主要的阻尼機制.

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