1、颗粒增强铝基复合材料的阻尼行为张小农张荻吴人洁(上海交通大学金属基复合材料国家重点实验室上海2 0 0 0 3 0)摘要对比研究了S i C L Y l 2 和A t：O。L D 2 两种颗粒增强铝基复合材料及其铝台金的阻尼行为，拉现复台材料的室温和高i R F J t l g 性能都优予铝合金，并且随增强物含量增加复台材料的阻尼性能增加更大。研究认为位错阻尼和界面阻尼是提高复台材料阻尼性能的主要原因。首次观察到复合材料的中温阻尼蜂现象，认为它是由位错在热和应力的澈活下运动产生的关键词铝基复合材料阻尼性能颗粒位错界面1 引言将陶瓷颗粒作为增强物加入到铝合金中制备的颗粒增强铝基复合材料，可提高铝
2、台金的刚度和强度、增加耐磨性、降低热膨胀系数等，因此，颗粒增强铝基复合材料被认为具有较好的应用潜力。在动态结构应用中要求构件具有减小振动和嗓音的本领，对材料的阻尼性能有特别的要求。为扩展颗粒增强铝基复合材料的动态应用领域。研究它们的阻尼性能是必需的。虽然已有一些研究报道了铝基复合材料的阻尼性能口“】，但由于复合体系的不同、制备工艺的差别、测量条件的不一致，对铝基复合材料的阻尼行为仍缺少清晰的了解，本文研究颗粒增强铝合金复合材料的阻尼行为。2 实验方法分别采用碳化硅(约1 0 t-t m)和氧化铝(约2 0*m)两种陶瓷颗粒为增强物，以L Y l 2和L D 2 铝合金为基体，制备S i C L
3、 Y l 2 和A l。O。L D 2 两种复合材料。采用搅拌帱造的方法，在特制的真空搅拌炉中将颗粒加入熔融的铝合金中以一定的速度搅拌使之在铝台金中分散均匀，然后在铸模中冷却得到一定体积的复合材料铸锭，最后将铸锭在犬蛩压机上挤压为十1 4 m m 2 5 0 m m 3 的圆棒状型材，从上面切取长为6 0 r a m 4 m m l m m 的阻尼性能测试试样品。利用多功能内耗仪研究铝合金及其复合材料的阻尼性能(Q)。多功能内耗仪是一种垒自动的倒扭摆仪，在真空状态下以强迫振动方式测量，测量时应变振幅()为1 0“1 0，频率(，)为0 1 5 H z，温度 7)从2 0 到4 0 0。3 实验
4、结果图1 是两个不同颗粒含量的A l：o。L D 2 复合材料与L D 2 铝合金在室温时的阻尼一应3 3 0S t r a i nA m p l i t u d ec图1A I：O，L D 2 复合材料与L D 2 铝合金的阻尼一应变振幅行为比较(=l H z，T=2 0 C jT e m p e r a t u r e(o C)图2S i C L Y l 2 复合材料的阻尼一温度行为(V，一1 5 v o l“，E 摹7 1 0 _)变振幅行为，可见在测量范围内，它们的阻尼都几乎与应变振幅无关。复。合材料的阻尼比合金有一定的提高，；且这种提高随颗粒含量的增加而更加重显著，但它们的室温阻尼性
5、能都仍较芝低，如V p=2 6 的复台材料，其阻尼善性能Q“仅为0 0 0 3 5。凸图2 是颗粒含量为1 5 的S i C L Y l 2 复合材料的阻尼一温度行为，图中示出了在三个频率下的测量结果，可见，随温度的升高，复合材料的阻尼性能迅速增加，并且低频下增加的效果更大。囤3S I C L Y l 2 复合材料与L Y l 2 铝合金的阻尼一温度行为比较(，=l H z，e 一7 1 0-5)3 3 1图3 比较了不同颗粒含量的S i C L Y l 2 复合材料与L Y l 2 铝合金的阻尼一温度行为，发现颗粒含量越多，复合材料的高温阻尼性能就越好。该图还显示出复合材料在约1 6 0。C
6、 处的中等温度范围有一个阻尼峰现象，这个阻尼峰在高颗粒含量的复合材料中较显著。图4 比较了不同颗粒含量的A l。O。L D 2 复合材料与L D 2 铝合金的阻尼一温度行为，发现与S i C T e m p e r a t u r e(。C)留4A b O s L D 2 复合材料与L D Z 铝合金的阻尼一温度行为比较(厂=1 H z，e 聋7 1 0 叫)L Y l 2 的阻尼行为十分相似，A l：O。L D 2 的高温阻尼性能也随颗粒含量增加而有较大的增长，但它们的阻尼性能小于S i C L Y l 2。且也在约1 6 0 C 处的中温范围有一个明显的阻尼峰T e m p e r a t
7、 u r e(o C)图5S i C L Y l 2 复合材料的阻尼一温度行为(“牟3 0 v o l，一7 1 0 _ 5)颗粒增强铝基复合材料中的中温阻尼峰是首次观察到，为研究形成该峰的可能机制，通过变频方法测量了阻尼峰十分显著的高颗粒含量(n=3 0)的S i C L Y l 2 复合材料，图5 所示。发现该峰出现的温度具有随频率增加而向高温侧移动的特性。由于出现阻尼峰应满足A r r h e n i u s 关系，作其阻尼峰温度与对应频率的A r r h e n i u s 图，如图6，计算得该阻尼峰的激活能为：H，=：1 2 6 e V。3 3 21 0 0 0 T(K 1)图6S
8、i C L Y l 2 复合材料的阻尼峰一温度的A r r h e n i u s 圈(y，=3 0)蛰鹚崞。；。一镧；。棚麓咱，_a备石僻cI啊。西ulnE毋o。：一4 讨论以上的测量结果说明颗粒增强铝基复合材料的阻尼性能，无论在室温还是在高温下都优于铝合金，并且颗粒的加入量越多复合材料的阻尼性能就越好。颗粒增强铝基复合材料的阻尼强烈地依赖于环境的温度，在室温时它们都还较小，且与应变振幅无关，而在较高温度下复合材料的阻尼可达到十分高的水平，远大于基体合金的阻尼值。研究认为这种增加有两个主要的来源，即位错阻尼和界面阻尼。位错是金属材料中重要的阻尼源。按照G I。理论“位错阻尼是晶体中位错线在外
9、加应力的作用下产生弛豫或脱钉运动产生的。位错弛豫是指位错在位错线上的钉扎点间共振运动，从而消耗振动能量产生阻尼；位错脱钉是指位错从位错线上的弱钉扎点上挣脱出来而仍被强钉扎点限制，这个脱钉过程可消耗较多的振动能量，产生较大的阻尼。位错弛豫阻尼表现为与频率相关而与应变振幅无关，而位错脱钉阻尼表现为与频率无关，由应变振幅决定。即材料阻尼Q 1 包括由应变振幅决定的阻尼 1 和由频率决定的Q，。两部分：Q 叫一Q。叫+Q r _ 1(1)其中：Q。1 一c。譬e x 一(-譬)Q，1=C。p f 2 b 2(3)这里C。、C。和C，是由材料决定的物理常数；P 和b 是材料中的位错密度和柏氏矢量；e 和
10、，是振动时的应变振幅和频率。从图l 可见，铝台金和铝基复合材料的阻尼都表现为与应变振幅无关，因此，这是位错弛豫型的阻尼。由式(3)，材料中的位错密度增加能提高这种阻尼Q 厂1。铝基复合材料因基体铝合金与增强物颗粒的热膨胀系数不同，在复台材料的制备过程中会在界面附近的基体中产生大量的位错，这已被大量的研究结果所证实”】。由于复合材料中位错密度大大增加，这使得其位错弛豫阻尼大于铝合金并且这种效果随颗粒含量增加而增加。颗粒与基体的结合界面是复合材料特有的阻尼源。界面阻尼是界面在外加应力的作用下发生相对的微滑移现象，从而消耗振动能力产生阻尼”1。通常，金属基复合材料的界面结合是十分牢固的，室温阻尼测量
11、时的应力不能使界面发生滑移，但随温度的升高，复合材料的界面结合将逐渐减弱，界面滑移随温度的升高而加剧。由于界面在复合材料中所占的比例十分巨大，界面将在高温下成为复合材料的主要阻尼源。关于弱结合界面的界面滑移阻尼(Q i _ 1)，L e d e r m a n 引入了一个计算方法”：Q，。；C,u k V。(4)其中：常数c；a,r 2，卢是陶瓷颗粒与金属基体之间的界面摩擦系数，k 一4 是界面处径向应力集中系数，y，是颗粒的体积含量。图3 和图4 的测量结果表明，温度升高，颗粒增强铝基复合材料的阻尼远大于铝合金，并且颗粒含量增加，复合材料的阻尼更大，这是界面数量随颗粒含量增加而增加的3 3
12、3结果，与式(4)相符合。颗粒增强铝基复合材料的中温阻尼峰现象是首次观察到，分析它的形成原因，作者认为它可能是由复合材料中位错在该温度下热和应力的激活而产生的。T e u t o n n c o “3 认为位错不仅可以在较大的应力作用下发生脱钉运动，形成由应变振幅决定的阻尼峰，而且位错也可以在热激活下发生脱钉运动，形成温度决定的阻尼峰。图5 和图6 的测量结果表雕，此铝基复合材料的中温阻尼峰发生的温度区间(1 5 0 2 1 0)和激活能(1 2 6 e V)，与N 6“”在纯铝中观察到的P。峰吻合，P。峰出现在约4 5 K(，=1 H z)、激活能为1，2 e V，他们的研究认为P。峰是纯铝
13、中自由位错的滑移机制产生的。因此，有理由认为，此颗粒增强铝基复合材料的阻尼峰是由复合材料基体中较多数量的位错在热和应力的作用下激活，位错线产生脱钉运动形成的。由于铝合金中不存在位错的大量集c 扣现象，因此铝合金中没有此阻尼峰。5 结论(1)无论在室温还是在高温，复合材料的阻尼性能都优于铝合金，并且随增强物含量增加，复合材料的阻尼性能增加更大。(2)位错阻尼和界面阻尼是提高复合材料阻尼性能的主要原因。3)首次观察到颗粒增强铝基复合材料的中温阻尼峰现象，认为它是由位错在热和应力的激活下运动产生的。参考文献 I W o l f a n d e sA，W o l l aJM D y p-a m i e
14、M e c h a n i c a lP r o p e r t i e s i n“M e t a lM a t r i xC o m l m s t e s：M a c h a n 岫4-n dP r o P-：r t i e s”e d i t e db yE：v e r e t tR Ka n dA r e s e n a u LRj，A c a d e m i cP r e s s，l n c U S A，1 9 9 1 2 8 7 2 Z h a n gJ，P e r e zR，W o a gCR，L a v e r n i aEJ，M a t e r S e t E n g R，
15、1 9 9 4，1 8(8)3 2 5E 8 2R a w a lSP A r m s t r o n gJHa n dM i a r aMsD a m p i n gC h a r a c l e r i s t i e so fM e t a lM a t r i xc。n l p；I H t A D A 2 1 3 7 1 2,M a y l 9 8 9 4 K i n r aVK，W r e nGG E x p e r i m e n t a lM e t h a n e s 1 9 9 2，8：1 6 8 1 7 2I s 张小农吴人洁，张荻金属荽复合材料的阻尼机制与性能机械工程材料
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17、p i n gP r o p e r t i e so fC o m p o s i t eM a l e r i a l s l P h D d i s s e r t a t i o n，t h eU n i v e r s i t yo fW m m-s L nM i i w a u k e e 1 9 9 1E 1 1 T e u r o n i e olJ，G r a n a t oAa n d1，n c k eKJA p p l P h y s，1 9 6 4，2 5：2 2 0 1 2 N 6 M I。，E s n o u fCS a nJ u d nJa n dF a n t
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19、 a lM a t r i xC o m p o s i t e s，S h a n g h a iJ i a oT o n gU n i v e r s i t y，S h a n g h a i2 0 0 0 3 0)A b s t r a c tT h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t so nd a m p i n gb e h a v i o r so fS i C L Y l 2a n dA 1 2 0 j L D 2a l u m i n u mm a t r i xc o m p o s i t e ss h o wt h a td a m
20、 p i n gc a p a c i t i e so ft h e s ec o m p o s i t e sa r eb e t t e rt h a nt h a to ft h eu n r e i n f o r e e dA Ia l l o yb o t ha tr o o mt e m p e r a t u r ea n dh i g ht e m p e r a t u r e A n dw i t hi n c r e a s edp a r t i c u l a t e d a m p i n go ft h ec o m p o s i t ei si n e
21、r e a a e d hi se x p l a i n e dt h a tt h ed i s l o c a t i o nd a m p i n ga n dt h ei n t e r f a c ed a m p i n ga r et h em a i nf a c t o r st h a ti m p r o v ed a m p i n gc a p a c i t yi nt h ec o m p o s i t e I ti sa l s or e p o r t e dt h a tad a m p i n gp e a kw a sh a p p e n e da
22、 tm e d i u mt e m p e r a t u r ei nt h ec o m p o s i t ea n di ti sa t t r i b u t e dt ot h em e c h a n i s mo fd i s l o c a t i o nm o t i o na e t i v e db yf o r e i g nf o r c ea n dt e m p e r a t u r e K e yw o r d sA 1m a t r i xc o m p o s i t e d a m p i n gc a p a c i t y，p a r t i c u l a t e，d i s l o c a t i o n，i n t e r f a c e
