胡耀波,鄧 娟,王敬豐,潘復(fù)生,陳玉安

(1重慶大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,重慶400044; 2國(guó)家鎂合金材料工程技術(shù)研究中心,重慶400044)

高阻尼鎂基復(fù)合材料研究現(xiàn)狀

胡耀波1,2,鄧 娟1,2,王敬豐1,2,潘復(fù)生1,2,陳玉安1,2

(1重慶大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,重慶400044; 2國(guó)家鎂合金材料工程技術(shù)研究中心,重慶400044)

簡(jiǎn)述了鎂基復(fù)合材料阻尼性能的研究現(xiàn)狀,介紹了高阻尼鎂基復(fù)合材料的位錯(cuò)型和界面型阻尼微觀機(jī)制,分別闡述了基體成分、增強(qiáng)相類(lèi)型和含量、基體和增強(qiáng)體界面、應(yīng)變振幅、溫度、頻率和處理工藝對(duì)鎂基復(fù)合材料阻尼性能的影響。簡(jiǎn)要分析了鎂基復(fù)合材料阻尼設(shè)計(jì)思想,并對(duì)其發(fā)展方向進(jìn)行了展望。

鎂基復(fù)合材料;阻尼機(jī)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(xiàn)代技術(shù)的快速發(fā)展,上至航空航天技術(shù)中飛行器的設(shè)計(jì),下至民用空調(diào)、健身器材的使用,人們對(duì)振動(dòng)與噪聲的控制都提出了更高的要求,為適應(yīng)這個(gè)要求,需要研究和設(shè)計(jì)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(dāng)應(yīng)變振幅為10-4時(shí),阻尼值達(dá)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(qiáng)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(qiáng)度問(wèn)題,嘗試在鎂基體中添加一種或多種增強(qiáng)體來(lái)提高其強(qiáng)度,獲得高強(qiáng)度、高阻尼、低密度的理想功能-結(jié)構(gòu)材料,已成為現(xiàn)代阻尼材料研究的熱點(diǎn)之一。

本文簡(jiǎn)述了鎂基復(fù)合材料阻尼性能的研究現(xiàn)狀,從微觀機(jī)制和宏觀影響因素兩方面敘述了鎂基復(fù)合材料的阻尼性能,簡(jiǎn)要分析了鎂基復(fù)合材料的阻尼設(shè)計(jì)思想,并對(duì)其發(fā)展方向進(jìn)行了展望。

1 鎂基復(fù)合材料阻尼機(jī)制

鎂基復(fù)合材料的阻尼機(jī)制主要包括位錯(cuò)型阻尼機(jī)制和界面型阻尼機(jī)制。

鎂基復(fù)合材料中的位錯(cuò)除基體和增強(qiáng)體本身所具有的位錯(cuò)以外,更主要的是基體和增強(qiáng)體之間因熱膨脹系數(shù)不匹配,當(dāng)溫度變化時(shí)會(huì)在界面附近產(chǎn)生熱錯(cuò)配殘余應(yīng)力,使基體發(fā)生塑性流變,而增加位錯(cuò)密度。19世紀(jì)50年代,Granato A和Lucke K J提出了Mg的位錯(cuò)釘扎模型[2],即 G-L釘扎模型,研究表明鎂基復(fù)合材料的位錯(cuò)型阻尼也可以用 G-L釘扎模型來(lái)解釋[5]。在鎂基復(fù)合材料的組織中有鎂基體的析出物、雜質(zhì)和增強(qiáng)體,它們對(duì)位錯(cuò)有釘扎作用。如圖1(a)所示,位錯(cuò)線的兩端被一些不可動(dòng)點(diǎn)釘扎著,即強(qiáng)釘扎;中間有很多結(jié)合力較弱的雜質(zhì)原子釘扎著,即弱釘扎。當(dāng)應(yīng)力較小時(shí),以相鄰弱釘扎點(diǎn)Li(i=1,2,3)之間的位錯(cuò)線為弦作“弓出”的往復(fù)運(yùn)動(dòng),消耗能量;隨著應(yīng)力的增加,“弓出”的弦繼續(xù)作往復(fù)運(yùn)動(dòng),當(dāng)達(dá)到一定值時(shí),弦掙脫弱釘扎點(diǎn),而以“雪崩”模式增加內(nèi)耗,相鄰強(qiáng)釘扎點(diǎn)L之間的位錯(cuò)線在應(yīng)力作用下繼續(xù)作往復(fù)運(yùn)動(dòng)而消耗能量,阻尼值增大[2,5]?；蚴窃诘蛻?yīng)力作用下,適當(dāng)提高溫度,因?yàn)闊峒せ畹淖饔?位錯(cuò)線掙脫弱釘扎點(diǎn)的束縛所需要的應(yīng)力降低,因此,當(dāng)在某一溫度以上,位錯(cuò)線掙脫弱釘扎點(diǎn),變成又長(zhǎng)又相對(duì)自由的位錯(cuò)線而作往復(fù)運(yùn)動(dòng),消耗能量,增加阻尼[6,7]。但是阻尼性能并非與位錯(cuò)密度成正比,當(dāng)位錯(cuò)密度在一定值以下時(shí),位錯(cuò)密度越大,阻尼性能越好;但是在位錯(cuò)密度增加的同時(shí),位錯(cuò)線會(huì)因位錯(cuò)密度的增加而更容易發(fā)生纏結(jié),使位錯(cuò)線的有效長(zhǎng)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(gè)最佳位錯(cuò)密度。

鎂基復(fù)合材料的界面包括相界和晶界兩種類(lèi)型。和鎂合金相比,鎂基復(fù)合材料因增強(qiáng)相的加入,分割了基體或細(xì)化了基體晶粒,產(chǎn)生更多的相界和晶界。在外界應(yīng)力作用下,界面產(chǎn)生滑移,如圖1(b)所示。界面在滑移過(guò)程中消耗能量,產(chǎn)生阻尼[6,8]。當(dāng)溫度升高,界面的結(jié)合強(qiáng)度相應(yīng)下降[6],并且相對(duì)于增強(qiáng)相,基體會(huì)變得相對(duì)較軟[7],在相同應(yīng)力作用下,更容易產(chǎn)生滑移而消耗能量,此時(shí)界面阻尼對(duì)鎂基復(fù)合材料阻尼性能的貢獻(xiàn)遠(yuǎn)高于位錯(cuò)阻尼。所以高溫下的鎂基復(fù)合材料的阻尼機(jī)制主要是用界面型阻尼機(jī)制來(lái)解釋[6-8]。

圖1 鎂基復(fù)合材料阻尼機(jī)制 (a)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)機(jī)制[5]; (b)界面滑移機(jī)制[9]Fig.1 The damping mechanism of magnesium matrix composites (a)dislocation movement[5];(b)interface slip[9]

2 鎂基復(fù)合材料阻尼性能的研究

20世紀(jì)50至60年代人們開(kāi)始對(duì)金屬基復(fù)合材料進(jìn)行大量的研究,但大都集中在鋁基、銅基和鐵基復(fù)合材料[9]。1986年,David M Goddard等[10]首次采用石墨纖維增強(qiáng)制備鎂基復(fù)合材料,實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)該材料具有較好的阻尼性能。同年F C Edward等[11]專(zhuān)門(mén)研究了石墨纖維增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料的阻尼性能,結(jié)果表明復(fù)合材料的阻尼值高于基體材料的阻尼值。到了20世紀(jì)90年代,隨著復(fù)合材料制備技術(shù)的發(fā)展和人們對(duì)高阻尼、高強(qiáng)度、低密度減振材料需求的增加,鎂基復(fù)合材料阻尼性能的研究得到了廣泛關(guān)注。

根據(jù)鎂基復(fù)合材料阻尼性能影響的本質(zhì)不同,可以將影響因素分為內(nèi)部因素和外部因素。內(nèi)部因素包括基體成分、增強(qiáng)體種類(lèi)和含量以及基體相和增強(qiáng)相的界面,外部因素主要包括應(yīng)變振幅、溫度、頻率和處理工藝等。

2.1 影響鎂基復(fù)合材料阻尼性能的內(nèi)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(rèn)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(qiáng)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(xì)化晶粒的作用;(3)能形成具有應(yīng)力集中效應(yīng)大的球狀或樹(shù)枝狀的鑄造組織;(4)耐蝕性不低于傳統(tǒng)合金。

Zr在鎂中的固溶度小,合金阻尼性能降幅較小?？字緞偟热薣12]在探討Zr含量對(duì)Mg-Zr合金組織和性能的影響時(shí)發(fā)現(xiàn),Zr含量在0.1%～0.45%(質(zhì)量分?jǐn)?shù),下同)范圍內(nèi),原子數(shù)量迅速增加,與位錯(cuò)的交互作用增強(qiáng),阻尼性能提高。而在Mg中加入固溶度大的合金元素會(huì)引起Mg晶格畸變,阻礙位錯(cuò)移動(dòng),對(duì)位錯(cuò)有強(qiáng)烈的釘扎作用,合金的阻尼性能大幅降低[13]。實(shí)驗(yàn)研究證明了這一點(diǎn),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(yīng)變振幅無(wú)關(guān)阻尼下降[14,15]。黃正華等人[16]研究Ce對(duì)AZ91D鎂合金力學(xué)性能與阻尼性能的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)含0.7%Ce的AZ91D合金晶粒細(xì)化效果佳,力學(xué)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(duì)鎂基復(fù)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?jǐn)?shù)為20%的β-SiC晶須增強(qiáng)純鎂,Mg-1%Si,AZ91D三種鎂基復(fù)合材料的阻尼性能。在室溫,頻率為1Hz條件下,隨著應(yīng)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(duì)最多,對(duì)位錯(cuò)的釘扎作用相對(duì)較強(qiáng),因此表現(xiàn)為阻尼性能最差,但是對(duì)其力學(xué)性能的測(cè)試發(fā)現(xiàn)結(jié)果恰好相反。

2.1.2 增強(qiáng)相類(lèi)型和含量

通過(guò)合金化提高純鎂力學(xué)性能的同時(shí),其阻尼性能卻顯著降低。在鎂合金中加入合適的增強(qiáng)體,不僅能提高鎂基材料的力學(xué)性能,而且與相應(yīng)的鎂合金相比,其阻尼性能也略有增加,所以可以通過(guò)選擇合適的增強(qiáng)體嘗試解決鎂基復(fù)合材料力學(xué)性能和阻尼性能之間的矛盾。常用于增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料的增強(qiáng)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(fù)合材料增強(qiáng)方式主要有兩種:一種為單一增強(qiáng),一種為混合增強(qiáng)?；旌显鰪?qiáng)方式主要選擇兩種顆?；蛘呤且环N顆粒與一種纖維共同增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料。

張小農(nóng)等人[18]研究認(rèn)為,纖維增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料與非纖維增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料相比,其阻尼性能稍好。這主要是因?yàn)槔w維的彈性模量較好,對(duì)阻尼的貢獻(xiàn)較大,而且復(fù)合材料的力學(xué)性能也相對(duì)較好。胡強(qiáng)等人[19]研究了不同體積分?jǐn)?shù)的SiC顆粒增強(qiáng)AZ61鎂基復(fù)合材料的阻尼性能發(fā)現(xiàn),體積分?jǐn)?shù)為3%的 SiC顆粒增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料的阻尼性能最好。研究表明,顆粒的種類(lèi)、尺寸以及含量都對(duì)復(fù)合材料的阻尼性能有很大的影響。

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

2.1.3 基體相和增強(qiáng)相界面

最初研究認(rèn)為鎂基復(fù)合材料的阻尼性能是鎂基體和增強(qiáng)相阻尼性能的疊加,但研究發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)值和理論值有一定差距,因此有人開(kāi)始關(guān)注界面阻尼對(duì)復(fù)合材料整體阻尼性能的貢獻(xiàn),也因此根據(jù)界面阻尼機(jī)制設(shè)計(jì)出理想的界面層來(lái)提高鎂基復(fù)合材料的阻尼性能。

碳纖維的彈性模量較大,常用于增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料,但是基體中的合金元素容易與碳纖維發(fā)生界面反應(yīng),破壞纖維的增強(qiáng)效果,所以現(xiàn)在研究中大都采用在纖維表面涂層的方法來(lái)減小這種損害。顧金海等人[20]研究纖維增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料時(shí)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(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在溫度低于170℃時(shí),纖維表面的碳涂層顯著提高了材料的阻尼性能。顆粒增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料主要問(wèn)題是顆粒容易簇集并且顆粒和基體的潤(rùn)濕性不好。為解決這個(gè)問(wèn)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(fù)合材料的阻尼值高;但是隨著溫度的提高,界面阻尼的貢獻(xiàn)增大,有涂層和沒(méi)有涂層的復(fù)合材料的阻尼性能都超過(guò)了純鎂;在更高溫度下,有涂層的復(fù)合材料的阻尼性能超過(guò)沒(méi)有涂層的復(fù)合材料。后來(lái),顧金海等人[22]首次建立應(yīng)力有限元模型來(lái)模擬金屬基復(fù)合材料的阻尼性能,對(duì)于涂層的類(lèi)型做了詳細(xì)的研究。結(jié)果表明對(duì)于彈性涂層,涂層的彈性模量越高,材料的阻尼性能越好;對(duì)于塑性涂層,軟涂層和硬涂層都有利于提高復(fù)合材料的整體阻尼性能。

2.2 影響鎂基復(fù)合材料阻尼性能的外部因素

2.2.1 應(yīng)變振幅

一般而言,金屬材料的阻尼性能隨應(yīng)變振幅的增加而增加,但是對(duì)于鎂基復(fù)合材料而言有所差別,不同類(lèi)型和含量增強(qiáng)體的加入改變了材料的阻尼隨應(yīng)變振幅的變化規(guī)律,可大致分為應(yīng)變振幅無(wú)關(guān)阻尼和應(yīng)變振幅相關(guān)阻尼。

圖2 SiCp與Al2SiO5f混合增強(qiáng)純鎂復(fù)合材料的應(yīng)變阻尼關(guān)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(yīng)變振幅無(wú)關(guān)阻尼有兩種類(lèi)型,一種是大量增強(qiáng)體的加入給材料增加了大量的強(qiáng)釘扎點(diǎn),當(dāng)位錯(cuò)線被強(qiáng)釘扎點(diǎn)完全釘牢時(shí),不可移動(dòng)位錯(cuò)增加,材料的阻尼性能不隨高應(yīng)變振幅的增加而增加。張小農(nóng)等[23]用碳化硅顆粒和莫來(lái)石短纖維混合增強(qiáng)純鎂復(fù)合材料證明了這一點(diǎn),當(dāng)體積分?jǐn)?shù)為18%時(shí),阻尼值幾乎不隨應(yīng)變振幅的增加而增加,如圖2所示。另一種是在低應(yīng)變振幅下,位錯(cuò)線被弱釘扎點(diǎn)釘扎,位錯(cuò)阻尼Q-1與可動(dòng)位錯(cuò)密度ρ和相鄰弱釘扎點(diǎn)之間的距離Li有關(guān),Q-1∝ρLi4。圖2中,當(dāng)應(yīng)變振幅小于10-5時(shí),阻尼幾乎不隨應(yīng)變振幅的變化而變化。

應(yīng)變振幅相關(guān)阻尼會(huì)隨著應(yīng)變振幅的增加而迅速增加。如圖2所示,當(dāng)應(yīng)變振幅大于10-5時(shí),阻尼值隨應(yīng)變振幅增加而迅速增加。這種現(xiàn)象可以利用 G-L釘扎模型來(lái)解釋,當(dāng)應(yīng)變振幅增加到一定值以后,位錯(cuò)線以“雪崩”模式從弱釘扎點(diǎn)處掙脫,阻尼隨應(yīng)變振幅和相鄰強(qiáng)釘扎點(diǎn)之間的距離L增加而增加。

2.2.2 溫度

鎂基復(fù)合材料的阻尼性能和溫度有密切關(guān)系。一般情況下,隨溫度提高,材料內(nèi)部缺陷活動(dòng)能力增強(qiáng),界面結(jié)合能力降低,在一定的應(yīng)力作用下很容易產(chǎn)生微滑移,阻尼性能增加,同時(shí)界面結(jié)合強(qiáng)度下降。但是當(dāng)溫度過(guò)高時(shí),界面的結(jié)合強(qiáng)度很低,在外應(yīng)力作用下,滑移已不能產(chǎn)生內(nèi)耗,阻尼不再增加,因此會(huì)出現(xiàn)一個(gè)最優(yōu)的溫度,產(chǎn)生最好的界面結(jié)合,造成最大的內(nèi)耗而產(chǎn)生內(nèi)耗峰。胡強(qiáng)等人[19]對(duì)SiC顆粒增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料的研究中分析了溫度-阻尼曲線上出現(xiàn)的兩個(gè)阻尼峰,如圖3所示,峰1的出現(xiàn)歸結(jié)為位錯(cuò)阻尼機(jī)制,峰2的出現(xiàn)歸結(jié)為界面阻尼機(jī)制。除此之外,當(dāng)溫度增加時(shí)有一些需要熱激活的阻尼源被激活,也會(huì)產(chǎn)生阻尼溫度峰[17]。

圖3 AZ61合金和SiCp增強(qiáng)復(fù)合材料的阻尼-溫度關(guān)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(duì)阻尼性能的影響一般都與討論溫度對(duì)阻尼性能的影響聯(lián)系起來(lái)。對(duì)于復(fù)合材料而言,低頻阻尼要高于高頻阻尼,即當(dāng)測(cè)量頻率增大,阻尼值減小。主要原因在于復(fù)合材料阻尼性能的產(chǎn)生是源于位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)和界面的微滑移,在交變應(yīng)力下,頻率越大,兩者在一次循環(huán)中的位錯(cuò)移動(dòng)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(qiáng)AZ91鎂基復(fù)合材料,研究了其阻尼溫度頻率之間的關(guān)系。當(dāng)應(yīng)變振幅不變,溫度在室溫到250℃范圍內(nèi),測(cè)量頻率分別為0.1,0.5,1,2.0Hz,測(cè)試頻率越大,阻尼值越低。

2.2.4 處理工藝

目前,對(duì)鎂基復(fù)合材料熱處理后阻尼性能的研究主要集中在固溶、時(shí)效、熱循環(huán)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(qiáng)AZ91鎂基復(fù)合材料,研究在420℃固溶處理(T4)和固溶后時(shí)效處理14h(T6)后的材料阻尼性能時(shí)發(fā)現(xiàn),熱處理降低了熱激活能,增加了可移動(dòng)位錯(cuò)的有效長(zhǎng)度,有利于提高鎂基復(fù)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?jǐn)?shù)為3%Al2O3纖維和體積分?jǐn)?shù)為20%SiC顆粒增強(qiáng)QE22復(fù)合材料,并對(duì)其從室溫到不同溫度(40～400℃)進(jìn)行熱循環(huán)處理,實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)熱循環(huán)終止溫度低于300℃時(shí),熱循環(huán)處理增加了材料的位錯(cuò)密度和弱釘扎點(diǎn)之間的有效距離,阻尼隨溫度升高而增大;高于300℃時(shí),因界面的結(jié)合強(qiáng)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(duì)鎂基復(fù)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(fù)合材料的阻尼性能下降。張小農(nóng)等[29]對(duì)不同狀態(tài)下的 SiC顆粒和 Al2(SiO3)3短纖維混合增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料進(jìn)行了阻尼性能測(cè)試證明了擠壓態(tài)的阻尼性能比鑄態(tài)的阻尼性能低,所以可以認(rèn)為變形處理不利于阻尼性能的提高。

機(jī)械循環(huán)對(duì)鎂基復(fù)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(fù)彎曲對(duì)Al2O3/QE22鎂基復(fù)合材料應(yīng)變振幅無(wú)關(guān)阻尼性能的影響,隨著彎曲重復(fù)數(shù)的增加,可移動(dòng)位錯(cuò)有效長(zhǎng)度減少,應(yīng)變振幅無(wú)關(guān)阻尼降低,其原因在于基體塑性變形導(dǎo)致復(fù)合材料位錯(cuò)和位錯(cuò),位錯(cuò)和界面之間發(fā)生了交互作用。

3 鎂基復(fù)合材料阻尼設(shè)計(jì)和發(fā)展方向

張小農(nóng)[18,31]在探討高阻尼金屬基復(fù)合材料的發(fā)展途徑中認(rèn)為,高阻尼金屬基復(fù)合材料的設(shè)計(jì)可以通過(guò)以下三種途徑實(shí)現(xiàn):選擇高阻尼性能的金屬基體,高阻尼的增強(qiáng)體和設(shè)計(jì)高阻尼的基體、增強(qiáng)體結(jié)合界面。但是從復(fù)合材料的強(qiáng)化機(jī)制和阻尼機(jī)制來(lái)說(shuō),材料的力學(xué)性能和阻尼性能是相互矛盾的。從位錯(cuò)的釘扎-脫釘角度,較好的力學(xué)性能需要有更多的強(qiáng)釘扎點(diǎn),但是高的阻尼性能要求恰好相反;一定的溫度范圍內(nèi),隨溫度的提高,材料界面發(fā)生微滑移,消耗能量,從而產(chǎn)生高的阻尼性能,但同時(shí)力學(xué)性能因界面結(jié)合不好而會(huì)相應(yīng)下降。所以現(xiàn)在要解決的問(wèn)題是協(xié)調(diào)鎂基復(fù)合材料力學(xué)性能和阻尼性能之間的關(guān)系[32],使兩者共同達(dá)到最理想值。

從現(xiàn)在的研究來(lái)看,擇優(yōu)選擇增強(qiáng)體混合增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料和設(shè)計(jì)較好的基體與增強(qiáng)體之間的結(jié)合界面,增加界面過(guò)渡層是已有研究方案中兩個(gè)較好的阻尼設(shè)計(jì)方案。但混合增強(qiáng)體的最優(yōu)化配比和界面過(guò)渡層的阻尼機(jī)制和界面反應(yīng)還需要進(jìn)一步的研究,所以混合增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料和設(shè)計(jì)較好過(guò)渡層仍是今后鎂基復(fù)合材料發(fā)展的兩個(gè)重要方向。

在選擇制備方法上,外加增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料的研究較多,但近年來(lái)原位合成增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料的研究逐漸增多[7,8,26]。外加增強(qiáng)相獲得的鎂基復(fù)合材料的主要缺點(diǎn)是存在界面反應(yīng)并且基體和增強(qiáng)相之間的潤(rùn)濕性較差,而原位合成的增強(qiáng)相在基體中分布更均勻,顆粒更細(xì)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(fù)合材料增強(qiáng)相的首選。

處理工藝對(duì)鎂基復(fù)合材料阻尼性能影響的研究較少,通過(guò)初步的研究論證熱處理工藝對(duì)提高鎂基復(fù)合材料的力學(xué)和阻尼性能都有一定的作用。已有研究人員提出通過(guò)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(qiáng)相促使鎂基復(fù)合材料發(fā)生馬氏體相變產(chǎn)生孿晶型內(nèi)耗,增加鎂基復(fù)合材料新的阻尼機(jī)制[5]。但是這一構(gòu)想還未完全實(shí)現(xiàn),需要進(jìn)一步研究。

4 結(jié)束語(yǔ)

相對(duì)于鋁基復(fù)合材料而言,對(duì)鎂基復(fù)合材料阻尼性能的研究起步較晚,其理論知識(shí)體系還不成熟,需要大量的科研工作者投入更多的時(shí)間與精力研究并設(shè)計(jì)出兼具高強(qiáng)度、高阻尼、低密度的鎂基復(fù)合材料,適應(yīng)社會(huì)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(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(2007CB613704);國(guó)家科技支撐計(jì)劃(2007BAQ00134-04);重慶市科委科技計(jì)劃重大項(xiàng)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(lián)系地址:重慶市沙坪壩區(qū)沙正街174號(hào)重慶大學(xué)材料學(xué)院(400044),E-mail:yaobohu@cqu.edu.cn