碳纖維表面含鎳涂層對(duì)于鎂基復(fù)合材料界面特征及阻尼性能的影響

任富忠，姜菁菁，石 維

（ 銅仁學(xué)院 材料與化學(xué)工程學(xué)院，貴州 銅仁 554300 ）

【物理與材料科學(xué)】

碳纖維表面含鎳涂層對(duì)于鎂基復(fù)合材料界面特征及阻尼性能的影響

任富忠，姜菁菁，石 維

（ 銅仁學(xué)院 材料與化學(xué)工程學(xué)院，貴州 銅仁 554300 ）

采用粉末冶金和熱擠壓的工藝分別制備了未添加碳纖維的基體金屬、含未進(jìn)行涂層處理短碳纖維的鎂基復(fù)合材料和含鎳涂層短碳纖維的鎂基復(fù)合材料，并利用TEM-EDS和DMA分別對(duì)鎂基復(fù)合材料的界面及阻尼性能進(jìn)行了研究。結(jié)果表明碳纖維表面含鎳涂層的引入在復(fù)合材料界面處形成了良好界面層結(jié)構(gòu)；三種材料的阻尼容量都隨應(yīng)變振幅的增大和溫度的升高而增大，且在25℃～400℃溫度范圍內(nèi)都只存在一個(gè)阻尼峰，顯現(xiàn)出熱激活弛豫過程的特征；利用Arrhenius公式計(jì)算出了三種材料的熱變形激活能的大小分別為1.287eV、1.129eV和1.725eV。

粉末冶金； 短碳纖維； 鎳涂層； 鎂基復(fù)合材料； 阻尼

在交通運(yùn)輸、建筑及宇航工業(yè)中，機(jī)構(gòu)部件的失效分析結(jié)果表明，約2/3的故障與振動(dòng)有關(guān)；同時(shí)由于震動(dòng)產(chǎn)生的噪音對(duì)于人類健康的危害已經(jīng)越來越受到關(guān)注[1]。為了克服有害的振動(dòng)與噪音，選用具有高阻尼性能的材料是一個(gè)有效方案。

在眾多的可作為結(jié)構(gòu)件材料中，純鎂具有較優(yōu)良的阻尼性能[2]，但是它較差的力學(xué)性能限制了其的廣泛應(yīng)用[3-4]。在純鎂中加入高強(qiáng)度增強(qiáng)體制備成鎂基復(fù)合材料，既可改善力學(xué)性能也可以改善其阻尼性能。Mayencourt等人[5]開發(fā)了一種鎂基復(fù)合材料，與諸如AZ31鑄造鎂合金相比，其具有較高的力學(xué)性能和阻尼性能，他們認(rèn)為鎂基復(fù)合材料中存在的大量界面起了重要作用。國內(nèi)的顧金海等人[6]采用化學(xué)氣相沉積法（CVD）在碳纖維表面制備了一層碳涂層，并且采用液態(tài)金屬壓浸工藝將之與鋁合金基體中制成了碳纖維增強(qiáng)的鋁基復(fù)合材料。他們通過研究發(fā)現(xiàn)，碳纖維表面的結(jié)構(gòu)規(guī)整的熱解碳涂層的存在大大地增強(qiáng)了復(fù)合材料的阻尼性能。與此同時(shí)，顧金海等人[7]還采用粉末冶金結(jié)合熱擠壓的工藝制備了含銅涂層和不含涂層的碳化硅增強(qiáng)的鎂基復(fù)合材料，結(jié)果表明溫度對(duì)于復(fù)合材料的阻尼性能有顯著影響，當(dāng)溫度超過250℃時(shí)，含銅涂層的碳化硅制備的復(fù)合材料阻尼容量超過了純鎂的阻尼容量。

雖然在金屬基復(fù)合材料中由于增強(qiáng)體的涂層改性引起的復(fù)合材料阻尼性能的改變已經(jīng)被廣泛研究，但是對(duì)于增強(qiáng)體短碳纖維表面涂層的引入導(dǎo)致的鎂基復(fù)合材料阻尼性能變化的機(jī)理研究尚未見到報(bào)道。本文的目的就是研究增強(qiáng)體表面鎳涂層對(duì)于短碳纖維增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料阻尼性能的影響。

1.材料與方法

1.1.樣品制備

純鎂粉 (>99.8wt.%，國產(chǎn)切削鎂粉)與短碳纖維（T-300,東麗公司）分別作為復(fù)合材料制備原料，采用化學(xué)鍍工藝[8]在短碳纖維表面得到厚度約0.5 m的含鎳涂層；采用粉末冶金（燒結(jié)溫度450℃，燒結(jié)時(shí)間2小時(shí)）和熱擠壓（擠壓溫度380℃，擠壓比1:11）的工藝制備了未添加短碳纖維與添加含量為5.5 vol %（含鎳涂層與未涂層）的直徑為6mm的復(fù)合材料棒材（見圖1）。

圖1 熱擠壓后復(fù)合材料棒材

采用線切割的方法制備出阻尼測(cè)試樣品（見圖2），樣品長(zhǎng)度、寬度和厚度分別為35mm、6mm和1mm，再經(jīng)400#和800#砂紙打磨光滑。為了比較的方便，還采用以上工藝制備了純鎂的測(cè)試樣品作為對(duì)比樣。測(cè)試樣實(shí)物如圖2所示。

圖2 阻尼測(cè)試樣品

1.2.樣品性能表征

復(fù)合材料界面微觀結(jié)構(gòu)采用LIBARA 200 FE型透射電鏡進(jìn)行觀察，采用離子減薄的方法制備透射電鏡樣品；采用能譜（EDS）分析了界面的元素組成；復(fù)合材料的物相分析采用XRD（Rigaku D/max 2500PC，日本）進(jìn)行表征，測(cè)試條件為：10°≤2θ≤90°，CuKα，λ=0.154178nm。

采用美國TA公司生產(chǎn)的Q800型動(dòng)態(tài)機(jī)械分析儀（DMA）對(duì)以上不同的鎂基復(fù)合材料的阻尼測(cè)試，具體測(cè)試條件如下，測(cè)試模式：?jiǎn)螒冶勰Ｊ?；測(cè)試頻率：1.0Hz、4.0Hz、10.0Hz；應(yīng)變范圍：10-5～10-3；溫度范圍：25℃～400℃；升溫速率：5℃/min。

2.結(jié)果與分析討

2.1.復(fù)合材料界面微觀結(jié)構(gòu)分析

采用未涂層碳纖維制備的鎂基復(fù)合材料在界面處存在一定厚度的界面層，但是由于碳與鎂之間的潤(rùn)濕性較差（見圖3），導(dǎo)致界面層厚度較??；而對(duì)于涂層碳纖維制備的鎂基復(fù)合材料，可以看出界面結(jié)合良好（見圖4），界面層厚度在500nm左右，并且在界面處基體一側(cè)只有少量的位錯(cuò)線存在；界面層中出現(xiàn)了金屬鎂，這主要是由于在燒結(jié)和熱擠壓過程中基體金屬鎂通過與金屬鎳發(fā)生反應(yīng)而向界面層中擴(kuò)散所致。

圖3 含未涂層碳纖維鎂基復(fù)合材料界面處的TEM圖

2.2.應(yīng)變頻率對(duì)短碳纖維增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料阻尼性能的影響

在25℃的測(cè)試條件下，當(dāng)應(yīng)變頻率分別為1.0Hz、4.0Hz、10.0Hz時(shí)，純鎂Mg、5.5vol%uncoatedcf/Mg和5.5vol%Ni-coated cf/Mg三種材料的阻尼容量（Q-1）隨應(yīng)變振幅的變化都呈現(xiàn)相同的變化規(guī)律，即當(dāng)應(yīng)變振幅較小時(shí)，它們的阻尼大小與應(yīng)變振幅無關(guān)；但是當(dāng)應(yīng)變振幅超過某一臨界值后，它們的阻尼隨著應(yīng)變振幅的增加快速增大（見圖5～圖7）。這主要是由于當(dāng)在鎂基復(fù)合材料中只有少量的增強(qiáng)體時(shí)，其內(nèi)部還有相當(dāng)大部分的位錯(cuò)是被弱釘扎點(diǎn)所固定的，應(yīng)變振幅較小時(shí)，振動(dòng)帶來的能量還不足以使位錯(cuò)脫釘，也就不消耗能量，只有當(dāng)應(yīng)變振幅增大到足以使位錯(cuò)產(chǎn)生雪崩式脫釘時(shí)復(fù)合材料才會(huì)大量的消耗能量，與之對(duì)應(yīng)的就是復(fù)合材料的阻尼值快速增大。其次還可以看出不管是哪一種材料，在相同的應(yīng)變振幅下，應(yīng)變頻率越大其阻尼值越小，這主要是因?yàn)閺?fù)合材料中的主要阻尼源自于位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)和界面的微滑移，在交變應(yīng)力作用下，施加頻率越大，兩者在一次循環(huán)中的位移越小，消耗能量越小，因而阻尼值越低。

圖5 純鎂在不同應(yīng)變頻率下的應(yīng)變振幅與阻尼之間的關(guān)系

圖6 5.5vol%uncoated cf/Mg在不同應(yīng)變頻率下的應(yīng)變振幅與阻尼之間的關(guān)系

圖7 5.5vol%Ni-coated cf/Mg在不同應(yīng)變頻率下的應(yīng)變振幅與阻尼之間的關(guān)系

根據(jù)G-L模型，當(dāng)應(yīng)變頻率為1.0Hz時(shí)，5.5vol%uncoated cf/Mg和5.5vol%Ni-coated cf/Mg兩種復(fù)合材料都只是在某一應(yīng)變振幅范圍內(nèi)為直線（見圖8），這表明當(dāng)應(yīng)力作用在復(fù)合材料上時(shí)，其內(nèi)部的阻尼機(jī)制除了位錯(cuò)阻尼機(jī)制外還有其他的諸如界面阻尼機(jī)制等存在。

圖8 f=1Hz復(fù)合材料的G-L線

2.3.溫度對(duì)短碳纖維增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料阻尼性能的影響

在相同的應(yīng)變振幅條件下，純鎂Mg、5.5vol%uncoated cf/Mg和5.5vol%Ni-coated cf/Mg三種材料在不同測(cè)試頻率下阻尼性能都隨著溫度的升高而增加并且都只存在一個(gè)阻尼峰（見圖9～圖11），而且對(duì)應(yīng)于不同的測(cè)試頻率其阻尼峰值溫度不同，隨著頻率的增加峰值溫度逐漸升高，見表1，這些都顯現(xiàn)出熱激活弛豫過程的特征[3,9]，其熱變形激活能H的計(jì)算符合Arrhenius公式：

式中τ0為指數(shù)因子，H為越過勢(shì)壘的激活能，k為波爾茲曼常數(shù)（k=1.380662*10-23J/K），因?yàn)棣卅?1，ω=2πf，代入上式兩邊去對(duì)數(shù)可得：

做ln2πf～1000/Tp圖求其斜率就可得到熱激活能H的大小，依據(jù)此公式計(jì)算出純鎂Mg、5.5vol%uncoated cf/Mg和5.5vol%Ni-coated cf/Mg三種材料的熱變形激活能H分別為1.287eV、1.129eV和1.725eV（見圖12），表明采用鎳涂層的短碳纖維增強(qiáng)體時(shí)由于界面性能的改善導(dǎo)致纖維與基體金屬之間的結(jié)合力增大，要使其產(chǎn)生變形所需要的能量更高；而未涂層處理碳纖維復(fù)合的鎂基復(fù)合材料由于界面結(jié)合不好導(dǎo)致熱變形激活能低于采用相同工藝制備的基體金屬的熱變形激活能。

表1 不同樣品的阻尼峰值溫度

圖9 純鎂的Q-1-f-T 特征譜線

圖10 5.5vol%uncoated cf/Mg的Q-1-f-T特征譜線

圖11 5.5vol%Ni-coated cf/MgQ-1-f-T特征譜線

圖12 測(cè)試頻率和峰值溫度間Arrhenius關(guān)系

3.結(jié)論

通過以上研究，我們得到以下結(jié)論：碳纖維表面鎳涂層的引入有效地改善了界面潤(rùn)濕性，使碳纖維與金屬鎂之間的結(jié)合良好。在室溫（25℃）下，三種材料的阻尼容量（Q-1）隨應(yīng)變振幅的變化都呈現(xiàn)相同的變化規(guī)律，且在相同的應(yīng)變振幅下，應(yīng)變頻率越大其阻尼值越小。當(dāng)應(yīng)變振幅較小時(shí)，它們的阻尼大小與應(yīng)變振幅無關(guān)；但是當(dāng)應(yīng)變振幅超過某一臨界值后，它們的阻尼隨著應(yīng)變振幅的增加快速增大。此外Mg、5.5vol%uncoated cf/Mg和5.5vol%Ni-coated cf/Mg三種材料在整個(gè)測(cè)試溫度范圍內(nèi)每一個(gè)測(cè)試條件下材料的阻尼性能都隨著溫度的升高而增加，并且都只存在一個(gè)阻尼峰，并且隨

著頻率的增加其阻尼峰值溫度升高。Mg、5.5vol%uncoated cf/Mg和5.5vol%Ni-coated cf/Mg三種材料在溫度-阻尼譜上的阻尼峰值溫度隨著頻率的增大而升高，顯現(xiàn)出熱激活弛豫過程的特征，利用Arrhenius公式計(jì)算出了以上三種材料的熱變形激活能H的大小分別為1.287eV、1.129eV和1.725eV。

[1] Zhang X Q, Wang H, Liao L H, et al. In situ synthesis method and damping characterization of magnesium matrix composites[J]. Compos Sci Technol, 2007,67(3-4): 720-727.

[2] Ritchie I G, Pan Z L, Sprungmann K W, et al. High damping alloys-the metallurgists cure for unwanted vibrations[J]. Can. Metall. Quart, 1987, 26(3): 239-250.

[3] Gu J H, Zhang X N, Gu M Y, Mechanical properties and damping capacity of (SiCp + Al2O3·SiO2f)/Mg hybrid metal matrix composite[J]. J Alloy Compd, 2004, 385(1-2): 104-108.

[4] Hu X S, Zhang Y K, Zheng M, et al. A study of damping capacities in pure Mg and Mg-Ni alloys[J]. Scripta Mater, 2005, 52(11): 1141-1145.

[5] Mayencourt C, Schaller R, Development of a high-damping composite: Mg2Si/Mg[J]. Phys Status Solidi A, 1997, 163(2): 357-368.

[6] Gu J H, Zhang X N, Gu M Y, et al. The damping capacity of aluminum matrix composites reinforced with coated carbon fibers[J]. Materials Letters, 2004, 58(25): 3170-3174.

[7] Gu J H, Zhang X N, Qiu Y F, et al. Damping behaviors of magnesium matrix composites reinforced with Cu-coated and uncoated SiC particulates[J]. Compos Sci Technol, 2005, 65(11-12): 1736-1742.

[8] 高家誠，譚尊，任富忠.碳纖維表面化學(xué)鍍鎳工藝及機(jī)理研究[J].功能材料，2011，8（42）：1360-1363.

[9] Wu Y W, Wu K, Deng K K, et al. Damping capacities and tensile properties of magnesium matrix composites reinforced by graphite particles[J]. Materials Science and Engineering a-Structural Materials Properties Microstructure and Processing, 2010, 527(26): 6816-6821.

Influence of Ni-coating on the short carbon fibers to the interface characterization and damping behaviors of magnesium matrix composites

REN Fuzhong, JIANG Jingjing, SHI Wei
( School of Material and Chemical Engineering, Tongren University, Tongren, 554300 Guizhou, China )

The base metal without addition of carbon fiber and magnesium matrix composites of short carbon fiber without coating treatment and with nickel coated short carbon fiber are prepared respectively through technologies of powder metallurgy and hot extrusion. The interface and damping capacity of magnesium matrix composite is studied through TEM-EDS and DMA. According to the result, it shows that good interface layer structure is formed at composite interface due to the introduction of nickel coating into the surface of carbon fiber. The damping capacity of three materials is enlarged along with the increase in strain amplitude and temperature. Besides, there is only one damping peak with temperature range of 25～400℃, thus manifesting the characteristic of thermal activation relaxation process. Thermal activation energy of three materials is calculated through Arrhenius, namely 1.298eV, 1.129eV and 1.725eV.

powder metallurgy, short carbon fiber, nickel coating, magnesium matrix composites, damping

TB333

A

1673-9639 (2016) 04-0035-05

（責(zé)任編輯 佘彥超）（責(zé)任校對(duì) 毛 志）

2016-06-07

銅仁學(xué)院院級(jí)科研基金項(xiàng)目“含錳增強(qiáng)體對(duì)鎂基復(fù)合材料性能的研究”（trxyDH1505）；貴州省科技廳聯(lián)合基金項(xiàng)目“碳纖維表面改性對(duì)鎂基復(fù)合材料組織與性能的影響”（黔科合LH字[2015]7230）。

任富忠（1978-），男，山西平遙人，副教授，博士，研究方向：材料物理與化學(xué)。