Al18B4O33w/Bi/Al復(fù)合材料室溫阻尼和力學(xué)性能

劉 剛，胡 津

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，150001哈爾濱;2.哈爾濱理工大學(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院，150080哈爾濱)

高阻尼容量是工程結(jié)構(gòu)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(qiáng)度，因此開發(fā)兼具高阻尼和高強(qiáng)度的材料一直是人們研究的熱點(diǎn).金屬基復(fù)合材料不僅具有較高的強(qiáng)度和模量，還具有良好的機(jī)械阻尼性能，是目前最具有發(fā)展前途的結(jié)構(gòu)-功能型阻尼材料之一［1-4］.

在金屬基復(fù)合材料的研究中，增強(qiáng)體/基體界面始終是人們關(guān)注的焦點(diǎn)，因?yàn)榻缑鎱^(qū)的狀態(tài)不僅強(qiáng)烈地影響復(fù)合材料的機(jī)械性能而且對(duì)其阻尼特性同樣也產(chǎn)生顯著效應(yīng).因此合理選擇界面相并深入研究其質(zhì)量分?jǐn)?shù)、形態(tài)及分布對(duì)復(fù)合材料界面狀態(tài)的影響與規(guī)律，從而進(jìn)行有效的調(diào)整及控制界面，是獲取高性能復(fù)合材料的關(guān)鍵［5］.

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

雖然有關(guān)增強(qiáng)體表面涂覆對(duì)金屬基復(fù)合材料阻尼性能影響的研究較多，但有關(guān)晶須表面涂覆對(duì)復(fù)合材料阻尼性能影響的研究還鮮有報(bào)道.已有研究表明，Bi2O3涂覆硼酸鋁晶須增強(qiáng)純Al基復(fù)合材料的阻尼性能比未涂覆的復(fù)合材料有很大提高.同時(shí)發(fā)現(xiàn)，在測(cè)試溫度范圍內(nèi)，涂覆復(fù)合材料的阻尼性能強(qiáng)烈依賴于晶須表面涂覆物的含量［11］.本文重點(diǎn)研究Bi2O3涂覆硼酸鋁晶須增強(qiáng)純鋁基復(fù)合材料在室溫下的阻尼性能和拉伸性能，并探討涂覆復(fù)合材料的室溫阻尼機(jī)制.

1 實(shí)驗(yàn)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(xué)共沉積方法將Bi2O3涂覆在晶須表面.晶須預(yù)制件在830℃下燒結(jié)并保溫30 min以獲得高強(qiáng)度的預(yù)制件.

采用擠壓鑄造法制備晶須體積分?jǐn)?shù)約為20%的復(fù)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(chǎn)的X’Pert型衍射儀對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行物相分析，實(shí)驗(yàn)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(chǎn)的TECNAI G2型透射電子顯微鏡對(duì)復(fù)合材料的界面及位錯(cuò)組態(tài)進(jìn)行觀察，操作電壓300 kV.阻尼性能測(cè)試是在美國(guó)TAQ800動(dòng)態(tài)機(jī)械熱分析儀上完成的，實(shí)驗(yàn)采用單懸臂方式.試樣尺寸為36 mm×6 mm×1 mm.試驗(yàn)參數(shù)為對(duì)應(yīng)變振幅為5×10-6～1.5×10-3，1×10-3～4×10-3范圍內(nèi)的室溫阻尼性能也進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試頻率為1 Hz.拉伸測(cè)試在Instron 5590拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行.拉伸試樣尺寸長(zhǎng)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(yàn)的應(yīng)變速率均為0.5 mm/min，每個(gè)狀態(tài)復(fù)合材料測(cè)試3個(gè)樣品.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖1為涂覆晶須的表面形貌與結(jié)構(gòu)分析.由圖1(a)中可見，Bi2O3顆粒均勻且非連續(xù)地分布在晶須表面.XRD檢測(cè)結(jié)果證實(shí)了分布在晶須表面的顆粒為Bi2O3，相應(yīng)圖譜如圖1(b)所示.

圖2為6ABiOw/Bi/Al復(fù)合材料界面處微觀組織結(jié)構(gòu)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(qū)電子衍射花樣分析結(jié)果表明界面相為單質(zhì)Bi.涂覆復(fù)合材料的XRD測(cè)試結(jié)果同樣顯示出單質(zhì)Bi的存在.

根據(jù)上述分析及已有研究表明，在擠壓鑄造過程中Bi2O3與Al發(fā)生反應(yīng)，反應(yīng)方程式為

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

圖2(b)為6ABOw/Bi/Al復(fù)合材料界面附近的位錯(cuò)組態(tài).在界面附近的基體中存在許多位錯(cuò).由于基體Al和晶須的熱膨脹系數(shù)不同，ABOw/Al復(fù)合材料從高溫冷卻下來，熱膨脹系數(shù)巨大的差異導(dǎo)致晶須/基體界面附近位錯(cuò)密度提高.由于Bi的熱膨脹系數(shù)與Al相差不大，所以高密度位錯(cuò)同樣存在于涂覆復(fù)合材料中.圖2(c)為圖2(b)中復(fù)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(jié)合良好，界面處未見孔洞等缺陷存在，但在涂層內(nèi)部可明顯觀測(cè)到較高密度的位錯(cuò)存在.

圖2 6ABOw/Bi/Al復(fù)合材料界面處微觀組織形貌

圖3為涂覆復(fù)合材料的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線.可以看到3條涂覆復(fù)合材料的拉伸曲線呈現(xiàn)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(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度(UTS)和斷裂延伸率δ隨wBi2O3變化曲線.涂覆后復(fù)合材料的UTS和δ隨著涂覆量的增加而降低，說明涂覆導(dǎo)致復(fù)合材料的拉伸性能有所損失.

圖3 涂覆復(fù)合材料的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變線

圖4 wBi2O3對(duì)復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度和斷裂延伸率的影響

圖5為涂覆復(fù)合材料的拉伸斷口形貌.當(dāng)晶須表面的涂覆量不同時(shí)，復(fù)合材料的斷口組織形貌存在較明顯的差異.在20ABOw/Bi/Al復(fù)合材料中(圖5(a))可見很多的韌窩，微孔數(shù)目極少，晶須拔出與脫落的現(xiàn)象很難觀測(cè)到.表明在20ABOw/Bi/Al復(fù)合材料中發(fā)生了韌性斷裂，揭示出復(fù)合材料具有較強(qiáng)界面結(jié)合，導(dǎo)致相應(yīng)的UTS和δ較高.隨晶須表面涂覆量增加，涂覆復(fù)合材料斷口表面的微孔數(shù)目明顯增多.在6ABOw/Bi/Al復(fù)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(xiàn)象.文獻(xiàn)［9］對(duì)斷口表面微孔的形成進(jìn)行了解釋.文獻(xiàn)［9］認(rèn)為一方面是由于基體和晶須結(jié)合強(qiáng)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(rùn)濕性較差，在擠壓鑄造過程中，液態(tài)鋁很難填充到某些晶須之間的微小縫隙處而產(chǎn)生孔洞.圖5(b)中出現(xiàn)的大量孔洞表明其界面結(jié)合較差，因此相應(yīng)的力學(xué)性能較低.

圖5 復(fù)合材料的斷口形貌

圖6為室溫條件下應(yīng)變振幅對(duì)涂覆復(fù)合材料阻尼性能的影響.圖6(a)為應(yīng)變振幅為5.0×10-6～1.5×10-3，頻率為1 Hz時(shí)涂覆復(fù)合材料的阻尼-應(yīng)變譜.在測(cè)試區(qū)間內(nèi)，復(fù)合材料的阻尼值隨著涂覆量的增加而增加.

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

圖6 涂覆復(fù)合材料的阻尼-應(yīng)變譜

3 分析討論

根據(jù)上述結(jié)果可以表明，在擠壓鑄造過程中通過Bi2O3和基體Al發(fā)生原位反應(yīng)，將Bi引入到復(fù)合材料界面處.界面處Bi的質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨著涂覆量的增加而增加，涂覆量強(qiáng)烈影響著復(fù)合材料室溫下的拉伸性能和阻尼性能.

文獻(xiàn)［9］研究了ZnO涂覆硼酸鋁晶須增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的拉伸性能，發(fā)現(xiàn)復(fù)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(shí)，δ呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì).本文研究發(fā)現(xiàn)，SnO2涂覆硼酸鋁晶須增強(qiáng)的純鋁基復(fù)合材料的UTS和δ隨涂覆量的增加而迅速增加.

在本文中，復(fù)合材料的拉伸性能和斷裂延伸率均隨晶須表面涂覆物質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而降低.這與已有研究不盡相同.復(fù)合材料在擠壓鑄造過程中，Bi2O3和液態(tài)鋁的界面反應(yīng)有效地改善了晶須和基體的潤(rùn)濕性，提高了液態(tài)鋁向預(yù)制件中的滲透能力，液態(tài)鋁就會(huì)依靠界面反應(yīng)很容易填充到晶須間的空隙處，能夠減少?gòu)?fù)合材料中微孔洞的數(shù)量，有助于提高復(fù)合材料的拉伸性能.但是隨wBi2O3提高，界面反應(yīng)產(chǎn)物如低強(qiáng)度的Bi和脆性的Al2O3，以及未反應(yīng)掉的脆性wBi2O3都會(huì)增加，這些低強(qiáng)度物質(zhì)都存在于晶須和基體的界面上，降低了界面強(qiáng)度.低強(qiáng)度的界面層在較小的外力作用下就會(huì)發(fā)生斷裂，裂紋很容易沿著晶須和基體的界面擴(kuò)展，導(dǎo)致UTS和δ隨涂覆量的增加而降低.

復(fù)合材料的阻尼性能受諸多因素影響，如復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)缺陷，位錯(cuò)振動(dòng)、界面滑移等.在低溫下，位錯(cuò)對(duì)材料的阻尼性能起主要的貢獻(xiàn).

在復(fù)合材料中，位錯(cuò)可能被釘扎，強(qiáng)釘扎點(diǎn)如相界面，弱釘扎點(diǎn)如溶質(zhì)原子［13］.在低應(yīng)變振幅下(＜1×10-3)，通過位錯(cuò)振動(dòng)消耗的能量較少.所以涂覆復(fù)合材料的阻尼性能微弱的依賴于應(yīng)變振幅，隨著應(yīng)變振幅的增加，伴隨著位錯(cuò)可動(dòng)性的增強(qiáng)，有些弱釘扎點(diǎn)釘扎的位錯(cuò)脫釘，而位錯(cuò)仍然被強(qiáng)釘扎點(diǎn)所釘扎，位錯(cuò)振動(dòng)所產(chǎn)生的能量消耗不會(huì)明顯增加，而當(dāng)應(yīng)變繼續(xù)增加時(shí)可能造成位錯(cuò)“雪崩”式的脫釘，由此引發(fā)的機(jī)械能消耗迅速增加，由此產(chǎn)生了位錯(cuò)阻尼峰(圖6(a)).

值得一提的是，阻尼性能不僅隨著應(yīng)變振幅的增加迅速增加，而且在測(cè)試的應(yīng)變范圍內(nèi)，涂覆復(fù)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(yīng)力集中易在低強(qiáng)度的Bi(32 MPa)涂層中產(chǎn)生較高密度的位錯(cuò)、位錯(cuò)環(huán)等缺陷;另一方面，涂層質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加會(huì)降低基體中的應(yīng)力使得位錯(cuò)纏結(jié)程度降低，增加可動(dòng)位錯(cuò)的密度，這應(yīng)是導(dǎo)致復(fù)合材料阻尼性能隨涂覆量的增加而提高的主要原因.

對(duì)于金屬基復(fù)合材料界面同樣是內(nèi)耗的有效來源.界面滑移導(dǎo)致的摩擦損失的能量是產(chǎn)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(chǎn)生的剪切應(yīng)力，發(fā)生界面滑移.在室溫下，界面滑移很難發(fā)生.通過上述分析可知，低應(yīng)變振幅條件下，涂覆復(fù)合材料的阻尼機(jī)制主要為位錯(cuò)機(jī)制.隨著應(yīng)變振幅的增加，可滑動(dòng)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(jié)合強(qiáng)度越低，界面越容易滑移(相同應(yīng)變振幅的情況下).所以，能量損失大的復(fù)合材料會(huì)有更好的阻尼性能.上述分析可知，界面結(jié)合強(qiáng)度隨涂覆量的增加而降低，因此，在高應(yīng)變振幅下，復(fù)合材料阻尼性能的增加是由于界面滑移導(dǎo)致的能量損失.

4 結(jié)論

1)無論在何種應(yīng)變振幅下，涂覆復(fù)合材料的阻尼容量均隨涂覆量的增加而增加.

2)涂覆復(fù)合材料的UTS和δ隨著Bi2O3涂覆量的增加而降低，涂覆復(fù)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(fù)合材料的阻尼-應(yīng)變曲線中，在應(yīng)變振幅約為4×10-4處出現(xiàn)了一個(gè)對(duì)應(yīng)位錯(cuò)脫釘過程的阻尼峰.

4)涂覆復(fù)合材料的阻尼機(jī)制在高應(yīng)變振幅下強(qiáng)烈依賴于應(yīng)變振幅，當(dāng)應(yīng)變振幅超過6×10-4后，界面滑移成為主要的阻尼機(jī)制.

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