阻尼鎂合金的研究與應(yīng)用綜述

供稿|張士衛(wèi) / ZHANG Shi-wei

內(nèi)容導(dǎo)讀

鎂具有高的導(dǎo)熱導(dǎo)電性、電磁屏蔽性、無(wú)磁性和無(wú)毒性等特點(diǎn)，是具有高阻尼性能和低密度的工程結(jié)構(gòu)材料。隨著航空、航天、建筑、汽車(chē)等振動(dòng)和噪聲較為嚴(yán)重的行業(yè)對(duì)輕質(zhì)、高強(qiáng)、高阻尼結(jié)構(gòu)材料需求日益增加，阻尼鎂合金材料必將成為鎂合金研究開(kāi)發(fā)的重要發(fā)展方向之一。文章對(duì)阻尼鎂合金的研究現(xiàn)狀和應(yīng)用進(jìn)展以及發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了綜述，重點(diǎn)介紹了Mg-Zr、Mg-Ni、Mg-Cu、Mg-Al、Mg-Zn、Mg-Si、Mg-Li、Mg-RE、鎂基復(fù)合材料、多孔鎂系阻尼鎂合金。文章分析指出：鎂合金的阻尼機(jī)制主要是位錯(cuò)機(jī)制，除了刃位錯(cuò)之外，還應(yīng)加強(qiáng)研究螺位錯(cuò)對(duì)阻尼機(jī)理的影響；通過(guò)添加新的增強(qiáng)相和合金元素從根本上解決阻尼性能和力學(xué)性能的矛盾，使設(shè)計(jì)出的產(chǎn)品外形結(jié)構(gòu)適合減振降噪也是值得關(guān)注的一個(gè)新方向。

阻尼材料是依靠材料本身的高阻尼特性達(dá)到減振降噪的目的。常用阻尼材料包括黏彈性阻尼材料、高阻尼合金和阻尼復(fù)合材料等。高阻尼合金的阻尼性能比一般金屬材料大得多，具有金屬材料的強(qiáng)度和其他力學(xué)性能，可直接用于制造承受振動(dòng)的結(jié)構(gòu)件，而不用附加其他減振措施。高阻尼合金的制造工藝簡(jiǎn)單，是一種積極有效的阻尼技術(shù)。目前，已經(jīng)成功開(kāi)發(fā)了以鎳、鎂、銅、鋅、鋁和鐵等為基的各種阻尼合金并投入使用，如用于制造艦船螺旋槳的錳銅基Sonoston阻尼合金和用于汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋、皮帶輪的鋅鋁阻尼合金等[1]。

隨著工業(yè)和交通業(yè)的不斷發(fā)展，振動(dòng)和噪聲已成為3大公害之一，減振降噪和改善人機(jī)工作環(huán)境已經(jīng)成為十分嚴(yán)重的問(wèn)題。高阻尼合金的開(kāi)發(fā)及應(yīng)用正是從材料角度達(dá)到減振降噪的有效措施之一。在所有的金屬結(jié)構(gòu)材料中，鎂合金因具有優(yōu)良的阻尼性能和低密度而備受關(guān)注，純鎂的阻尼衰減系數(shù)是鑄鐵的5倍，是鋁合金的12倍。然而高阻尼鎂合金的力學(xué)性能較差，難以滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)用需求，如ZK01合金的室溫屈服強(qiáng)度僅為50～60 MPa。為此，高強(qiáng)度阻尼鎂合金的開(kāi)發(fā)成為阻尼材料研究的一個(gè)重要方向。研究表明純鎂、Mg-0.6 Zr、Mg-Ni等合金具有優(yōu)異的阻尼性能，當(dāng)外加應(yīng)力達(dá)到鑄態(tài)純鎂屈服強(qiáng)度的1/10時(shí)，其比阻尼SDC達(dá)到60%，遠(yuǎn)高于高阻尼金屬(SDC＞10%)的標(biāo)準(zhǔn)[2]。

阻尼鎂合金概述

阻尼合金是一類(lèi)極具商業(yè)應(yīng)用前景的合金，已在航空、航天、船舶、汽車(chē)、鐵路、電器等工業(yè)中得到應(yīng)用。在電器行業(yè)，隨著科技的進(jìn)步和電器產(chǎn)品要求的提高，現(xiàn)有的阻尼合金難以滿(mǎn)足市場(chǎng)需求，迫切需要開(kāi)發(fā)性能更佳的阻尼合金。鎂基阻尼合金作為一種兼具良好阻尼性能和減重性能的合金具有較為廣泛的應(yīng)用前景。

相比于其他金屬材料，鎂在阻尼減振領(lǐng)域的最大優(yōu)勢(shì)在于其優(yōu)異的阻尼性能。但鎂合金絕對(duì)強(qiáng)度偏低導(dǎo)致其不能得到大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用。鎂及其合金的阻尼機(jī)制屬于位錯(cuò)阻尼機(jī)制，而傳統(tǒng)的材料強(qiáng)韌化工藝如合金化和塑性變形等都不可避免會(huì)導(dǎo)致位錯(cuò)和晶界的運(yùn)動(dòng)受阻。如何對(duì)阻尼鎂合金的力學(xué)性能與阻尼性能進(jìn)行平衡優(yōu)化已成為當(dāng)下重要的研究方向。

材料的阻尼性能具有減少振動(dòng)、降低噪音和提高疲勞性能的作用，在動(dòng)態(tài)應(yīng)用中對(duì)其有嚴(yán)格的要求?，F(xiàn)代高科技的發(fā)展要求材料具有良好的阻尼減振降噪能力[3]。目前航空、航天上常用的結(jié)構(gòu)材料，如鋁合金、鈦合金和鋼等，其阻尼性能較差(品質(zhì)因數(shù)倒數(shù)Q-1＜＜10-2)，導(dǎo)致一些零件出現(xiàn)振動(dòng)疲勞裂紋和儀器儀表工作失靈，威脅運(yùn)行的可靠性和壽命?；鸺?、衛(wèi)星失效分析表明約2/3的故障和振動(dòng)、噪音有關(guān)。

20世紀(jì)70年代，日本學(xué)者Sugimoto開(kāi)發(fā)出Mg-13%Ni系阻尼鎂合金，其強(qiáng)度和內(nèi)耗都比較優(yōu)良。MCM(Mg-Cu-Mn)系合金是近年來(lái)開(kāi)發(fā)出來(lái)的新型高強(qiáng)度高阻尼鎂合金，具有優(yōu)良的鑄造性、耐蝕性和切削性。

阻尼鎂合金的阻尼機(jī)理

阻尼是指材料在機(jī)械振動(dòng)中將外部機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)部?jī)?nèi)能達(dá)到耗散機(jī)械振動(dòng)能的現(xiàn)象。由于測(cè)試技術(shù)的不同，材料的阻尼值可用比阻尼系數(shù)(SDC)、對(duì)數(shù)減縮量δ、損耗角正切(tanφ)以及品質(zhì)因數(shù)倒數(shù)(Q-1)等來(lái)表征。

鎂及鎂合金通過(guò)內(nèi)部位錯(cuò)線的往復(fù)運(yùn)動(dòng)將外加機(jī)械能轉(zhuǎn)化為其他形式的能量，從而降低機(jī)械振動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)件的不利作用。學(xué)術(shù)界一般認(rèn)為Granato等人構(gòu)建的位錯(cuò)釘扎-脫釘模型可以較合理解釋位錯(cuò)阻尼材料的阻尼行為。該理論認(rèn)為鎂合金中的點(diǎn)缺陷和各種合金組織會(huì)對(duì)位錯(cuò)線的自由運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生釘扎作用，限制位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)。在外加載荷作用下，位錯(cuò)線會(huì)在弱釘扎點(diǎn)周?chē)鰜?lái)回運(yùn)動(dòng)，消耗部分能量；而隨著外加載荷作用的增強(qiáng)，位錯(cuò)線會(huì)掙脫限制，形成較長(zhǎng)的位錯(cuò)線，在強(qiáng)釘扎點(diǎn)的限制下運(yùn)動(dòng)，位錯(cuò)線可以在更大范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)從而耗散更多的能量[4]。

晶體材料的阻尼機(jī)制可分為四類(lèi)：熱彈性阻尼、磁阻尼、黏性阻尼和缺陷阻尼。純鎂及其合金阻尼性能主要來(lái)源于位錯(cuò)，屬于缺陷阻尼，缺陷阻尼可以進(jìn)一步細(xì)化為兩種類(lèi)型：(1)低應(yīng)力下與振幅無(wú)關(guān)而與頻率有關(guān)的共振型內(nèi)耗；(2)高應(yīng)力下與振幅有關(guān)而與頻率無(wú)關(guān)的靜滯后型內(nèi)耗。金屬阻尼材料的阻尼機(jī)制主要有以下幾種：位錯(cuò)型、孿晶型、鐵磁型、超塑性型、復(fù)相型、混合型[5]。

阻尼行為的影響因素

影響材料阻尼行為的因素有很多，內(nèi)部因素主要包括合金成分、晶粒尺寸、晶粒取向、熱處理工藝和冷加工變形量等。外部因素主要包括應(yīng)變振幅、測(cè)量溫度、頻率等。通過(guò)改善合金的微觀組織，控制影響合金阻尼性能的因素，可以達(dá)到提高合金阻尼性能的目的。其中，對(duì)合金元素添加種類(lèi)、晶界取向及晶粒尺寸的控制尤為重要。

由G-L理論可知鎂合金的阻尼性能主要與合金中位錯(cuò)和雜質(zhì)原子的密度及形態(tài)有密切關(guān)系。而合金元素、變形工藝、熱處理、晶粒尺寸和取向以及各種增強(qiáng)相的添加等對(duì)位錯(cuò)和雜質(zhì)原子的密度及形態(tài)都有很大的影響，因而也影響到了鎂合金的阻尼性能。

阻尼鎂合金的強(qiáng)化機(jī)制

阻尼鎂合金的強(qiáng)化機(jī)制有固溶強(qiáng)化、析出(沉淀)強(qiáng)化、彌散強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化、形變強(qiáng)化等。

阻尼鎂合金的研究現(xiàn)狀

國(guó)外學(xué)者對(duì)材料的阻尼性能，尤其是鎂合金的阻尼性能研究起步較早，并取得了顯著進(jìn)展。在高阻尼鎂合金方面，主要通過(guò)合金化方法來(lái)提高鎂合金強(qiáng)度或阻尼性能。

鎂合金阻尼性能影響的原因比較多，目前學(xué)術(shù)界主要將其歸結(jié)為內(nèi)部因素(合金元素、雜質(zhì)缺陷、空洞等)和外部因素(性能調(diào)控技術(shù)、測(cè)試環(huán)境等)兩部分。(1)合金元素。Zr、Cu、Mn這些元素在鎂中具有固溶度小、細(xì)晶能力強(qiáng)、凝固時(shí)能形成穩(wěn)定第二相等性質(zhì)，可以達(dá)到兼顧、平衡合金的力學(xué)性能和阻尼性能的效果。(2)熱處理和成形工藝。熱處理工藝可以顯著改善鎂合金的整體性能表現(xiàn)，常見(jiàn)的熱處理技術(shù)有退火、固溶和時(shí)效處理等。塑性變形也是鎂合金性能改善的技術(shù)手段之一。對(duì)于鎂而言，鍛造、熱擠壓或軋制等塑性變形工藝都能有效增強(qiáng)合金性能。

近年來(lái)，隨著汽車(chē)、電子以及航空領(lǐng)域?qū)档彤a(chǎn)品自重、能耗和減振降噪性能要求的提高，高性能阻尼合金成為人們研究的熱點(diǎn)。鎂基阻尼合金及其復(fù)合材料具有其他合金不可比擬的高比強(qiáng)度、高電磁屏蔽性、易切削加工、抗輻射、易回收等突出優(yōu)點(diǎn)，因此，日益受到國(guó)內(nèi)外材料學(xué)者的關(guān)注，研究進(jìn)展迅速。目前，阻尼鎂合金的研究主要集中在Mg-Zr、Mg-Ni等二元合金系，以及Mg-Cu-Mn等三元系合金。另外，以具有良好阻尼性能的鎂合金為基體，通過(guò)添加增強(qiáng)體獲得更高阻尼性能的鎂基復(fù)合材料和應(yīng)用于生物領(lǐng)域的多孔鎂材料的阻尼性能研究也取得了較大的進(jìn)展[6]。

鎂合金的阻尼性能比純鎂要低，這是因?yàn)楹辖鹪厝苋牖w金屬中會(huì)使基體的晶格發(fā)生畸變，畸變所產(chǎn)生的應(yīng)力場(chǎng)與位錯(cuò)周?chē)膹椥詰?yīng)力場(chǎng)交互作用，使合金元素的原子聚集到位錯(cuò)線附近形成所謂“氣團(tuán)”，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)時(shí)必須克服氣團(tuán)的釘扎作用，因而需要很大的切應(yīng)力。此外，由于合金元素的釘扎作用會(huì)使位錯(cuò)線變彎，使得位錯(cuò)中的可動(dòng)位錯(cuò)密度和有效位錯(cuò)長(zhǎng)度降低，從而降低合金的阻尼性能。目前國(guó)內(nèi)外研究的阻尼鎂合金體系很多，大致可劃分為鎂基二元阻尼合金、鎂基三元阻尼合金、鎂基多元阻尼合金。常用的鎂基三元系阻尼合金有Mg-Zr-X、Mg-Cu-Mn、Mg-Li-Al等。

Mg-Zr系阻尼鎂合金

Mg-Zr系阻尼合金是傳統(tǒng)的鎂基阻尼合金，主要用于航空、航天、國(guó)防等尖端領(lǐng)域。自K1X1-F(含Zr量為0.6%)阻尼合金及其改進(jìn)型合金K1-A問(wèn)世以來(lái)，其優(yōu)異的阻尼性能、良好的鑄造性能、細(xì)小的晶粒度、高的液態(tài)流動(dòng)性和塑性、高的抗腐蝕性能和良好的焊接性吸引了越來(lái)越多學(xué)者的關(guān)注。2006年，紀(jì)仁峰等的研究表明，Mg-0.6Zr中添加0.3%Ca后，材料內(nèi)耗Q-1由0.13降為0.11，而抗拉強(qiáng)度則由142.8 MPa提高到163.8 MPa，延伸率由8.5%提高到10.8%，強(qiáng)度和塑性得到較大提高。

Mg-Zr系阻尼合金是最早研究和開(kāi)發(fā)出來(lái)的高阻尼鎂合金，早在20世紀(jì)60年代，美國(guó)研制成功的KIA(Mg-0.7%Zr系)阻尼鎂合金，其阻尼性能不僅遠(yuǎn)高于常用的鋁合金，甚至比灰鑄鐵還高，并且還具有良好的機(jī)械性能(σb達(dá)175 MPa、σ0.2達(dá)60 MPa)，可用于導(dǎo)彈制導(dǎo)部位的外殼、儀表底板、陀螺羅盤(pán)等航天產(chǎn)品中，以減小導(dǎo)彈發(fā)射時(shí)的激烈振動(dòng)。同時(shí)在運(yùn)輸業(yè)中，也可以作為減振降噪材料使用。Mg-Zr系阻尼合金是目前應(yīng)用最多、最廣泛的高阻尼鎂合金材料。

20世紀(jì)80年代中葉，我國(guó)提出了一種新型Mg-Zr系高阻尼ZMJD-1S的合金，該合金具有優(yōu)良的阻尼性能(阻尼指數(shù)SDC＞40%)、良好的切削性能和機(jī)械性能，合金各項(xiàng)性能指標(biāo)接近前蘇聯(lián)牌號(hào)Mци，成本卻低于牌號(hào)Mци。

Mg-Zr合金的阻尼機(jī)理主要是位錯(cuò)阻尼，可由G-L的位錯(cuò)釘扎模型解釋。晶體中位錯(cuò)被一些可以脫開(kāi)的點(diǎn)缺陷(如雜質(zhì)原子、空位等)釘扎，在外加交變應(yīng)力作用下位錯(cuò)段像弦一樣“弓出”作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中要克服阻尼力，因而產(chǎn)生內(nèi)耗[7]。

Mg-Ni系阻尼鎂合金

Mg-Ni系是另一重要的阻尼鎂合金系，研究人員發(fā)現(xiàn)要保證阻尼性能往往要犧牲其耐蝕性。最近對(duì)Mg-Ni系合金的研究又有新的突破，Wan等在Mg-3Ni中添加不同含量的Mn之后，發(fā)現(xiàn)其耐蝕性與超過(guò)臨界應(yīng)變之后阻尼性能均隨Mn含量的增加而增強(qiáng)[8]。這為今后改善Mg-Ni系阻尼合金固有的低耐蝕性提供了一個(gè)新的思路。

瑞典R. Schaller研究了定向凝固Mg-Ni合金的阻尼性能和力學(xué)性能，Mg-Ni合金的力學(xué)性能隨著Ni含量的增加而提高，阻尼性能卻出現(xiàn)一定程度的下降，但阻尼性能的下降程度較力學(xué)性能提高的程度要輕。Mg-10%Ni合金和Mg-15%Ni合金的力學(xué)性能與AZ63(Mg-6%A1-3%Zn)相當(dāng)，但阻尼能力(Q-1≈0.007)卻是AZ63的30倍[8]。

作為高阻尼合金材料的Mg-Ni系阻尼合金是亞共晶Mg-Ni合金，由于Mg-Ni合金耐蝕性欠佳，限制了其更為廣泛的應(yīng)用。日本大阪大學(xué)Sugimoto等在1977年首先發(fā)現(xiàn)Mg-Ni亞共晶合金具有高的阻尼特性和良好的機(jī)械性能，成功開(kāi)發(fā)了Mg-13%Ni系阻尼合金[8]。Sugimoto等還提出了兩點(diǎn)制備新型高阻尼鎂合金的條件：(1)盡可能選用在鎂中固溶度小的合金元素來(lái)制備阻尼合金；(2)鎂合金組織為樹(shù)枝狀或球狀的，并且晶粒尺寸要大于10 μm[8]。

Mg-Cu系阻尼鎂合金

Mg-Cu-Mn合金系是20世紀(jì)末才被研發(fā)出來(lái)的高阻尼鎂合金系。西山勝?gòu)V研究認(rèn)為：當(dāng)Cu含量增加至3.0%時(shí)，Mg-Cu合金的阻尼性能隨Cu含量的增加而緩慢降低。但當(dāng)Cu含量超過(guò)3.0%時(shí)，內(nèi)耗迅速降低，而強(qiáng)度卻增大[8]。2003年，Nishiyama等用粉末冶金法制備了CM31合金，發(fā)現(xiàn)Mn的加入改善了合金的減振性能，比阻尼達(dá)60%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)AZ91鎂合金的35%，抗拉強(qiáng)度高達(dá)290 MPa[8]。

Mg-Al系阻尼鎂合金

J. G?ken通過(guò)反擠壓和等靜擠壓，研究了不同微觀組織對(duì)AZ31、AZ61和AZ80鎂合金阻尼性能的影響[9]。在鑄態(tài)下，合金的阻尼與應(yīng)變振幅有關(guān)，并隨固溶原子的增多而下降。變形使晶粒細(xì)化，提高了力學(xué)性能，同時(shí)合金的阻尼下降比較嚴(yán)重。這是由于晶粒尺寸減小導(dǎo)致晶界上強(qiáng)釘扎點(diǎn)之間位錯(cuò)段長(zhǎng)度減小，從而減小合金阻尼。固溶處理后的AZ31、AZ61和AZ81合金，時(shí)效時(shí)間短時(shí)，其阻尼值隨含鋁量增加而減小。由于時(shí)效析出Mg17Al12第二相及第二相與位錯(cuò)的交互作用，含鋁量高的合金得到強(qiáng)化。AZ31、AZ61、AZ81合金的阻尼行為均可由G-L位錯(cuò)模型來(lái)解釋[9]。

Mg-Al系合金是目前商業(yè)上應(yīng)用最為廣泛的鎂合金，該系合金以AZ91D為代表，具有良好的減振性能，室溫下振動(dòng)頻率為5～8 Hz時(shí)的減振性能比110OH18鋁合金高近2倍，比60鋼淬火+回火態(tài)高近4倍，而且減震性能隨材料晶界和Mg17Al12相的增多而增大，現(xiàn)在多用于制造汽車(chē)及摩托車(chē)的減速器蓋、座椅架、車(chē)輪、扶手、儀表盤(pán)等工件。近年來(lái)對(duì)AZ系列合金改進(jìn)是提高鎂合金應(yīng)用發(fā)展的一條有效的途徑。

Mg-Zn系阻尼鎂合金

ZK60(MB15)是工業(yè)變形鎂合金中強(qiáng)度最高、綜合性能最好、應(yīng)用最廣泛的結(jié)構(gòu)合金。國(guó)內(nèi)外有較多關(guān)于ZK60高強(qiáng)度變形鎂合金組織和力學(xué)性能的報(bào)導(dǎo)，但作為阻尼合金研究的報(bào)道較少。張小農(nóng)在研究鎂基復(fù)合材料阻尼機(jī)制時(shí)，發(fā)現(xiàn)在300℃時(shí)，MB15合金出現(xiàn)了由相變引起的阻尼峰，且阻尼峰的位置不隨頻率的改變而改變[9]。

Mg-Si系阻尼鎂合金

1988年，大連海運(yùn)學(xué)院關(guān)德林等首先采用定向凝固的方法制備出新型的高阻尼Mg-Si二元阻尼合金。研究表明Mg-1.34%Si和Mg-2%Si合金具備良好的阻尼性能和力學(xué)性能，關(guān)德林等分析認(rèn)為Si在Mg中極小的溶解度不會(huì)影響純鎂的阻尼性能，而具有較高強(qiáng)度的Mg2Si相可以有效改善合金的力學(xué)性能[9]。Nishiyama等在1994年也對(duì)Mg-Si二元合金的阻尼和力學(xué)性能有所報(bào)道[9]。

Mg-Li系阻尼鎂合金

超輕合金Mg-Li系合金較之其他系鎂合金，其伸長(zhǎng)率有大幅度提高。其中Mg-11Li-3Al合金的抗拉強(qiáng)度達(dá)到138 MPa，伸長(zhǎng)率可以高達(dá)45%。但隨著Li含量的增加，伸長(zhǎng)率雖明顯提高，但合金的抗拉強(qiáng)度同時(shí)降低。該系合金具有良好的阻尼性能，但受到Li含量、溫度和頻率的影響。研究表明：溫度升高合金阻尼相應(yīng)提高；頻率對(duì)Mg-Li合金的室溫阻尼和高溫阻尼影響是不同的，在較低的溫度下，合金的高頻阻尼大于低頻阻尼，但當(dāng)溫度升高到一定值后，低頻阻尼明顯增大，最終超過(guò)高頻阻尼。該系中的Mg-8Li-1Al合金的室溫阻尼達(dá)到0.01，屬于高阻尼合金。室溫下的阻尼機(jī)制主要是位錯(cuò)阻尼，當(dāng)溫度升高到一定值后，除了位錯(cuò)阻尼的貢獻(xiàn)外，還有相界和晶界阻尼的貢獻(xiàn)，而且隨Li含量的增加，阻尼性能也隨著增強(qiáng)[10]。

Mg-RE系阻尼鎂合金

RE的加入降低了合金室溫下的阻尼性能，但卻能顯著提高鎂合金在高溫下(120℃)的阻尼性能，在ZA84鎂合金中加入1.0%RE，該合金的阻尼性能最強(qiáng)。研究還表明RE促進(jìn)了Al、Zn原子向基體中的擴(kuò)散，釘扎了位錯(cuò)，降低了合金的位錯(cuò)阻尼；RE也細(xì)化了晶粒，增大了界面阻尼。位錯(cuò)阻尼與界面阻尼疊加的結(jié)果決定了鎂合金在高溫下的宏觀阻尼行為。

鎂基復(fù)合材料的阻尼性能

在純鎂或鎂合金中添加增強(qiáng)體可以改善基體的阻尼性能。這是由于增強(qiáng)體與基體熱膨脹系數(shù)不匹配，從而在界面及近界面處產(chǎn)生的熱錯(cuò)配殘余應(yīng)力使基體發(fā)生塑性流變，產(chǎn)生高密度位錯(cuò)，引起位錯(cuò)強(qiáng)化，從而提高阻尼性能。目前，添加的增強(qiáng)體主要有SiC顆粒、Al2O3顆粒、石墨纖維等。

鎂基復(fù)合材料阻尼性能的研究目前主要包括測(cè)試條件、增強(qiáng)體類(lèi)型、數(shù)量和熱處理對(duì)鎂基復(fù)合材料阻尼性能的影響以及鎂基復(fù)合材料的阻尼機(jī)制。鎂合金基復(fù)合材料的阻尼性能與增強(qiáng)相本身的阻尼值關(guān)系不大，而增強(qiáng)相與基體間的界面對(duì)阻尼的貢獻(xiàn)很大程度上決定了復(fù)合材料阻尼性能。研究表明，復(fù)合材料中多種阻尼機(jī)制共同作用，如相變、滑移系增加和晶界阻尼等。增強(qiáng)相的加入對(duì)純鎂或鎂合金基的復(fù)合材料阻尼性能的影響在于增強(qiáng)相的取向、基體的內(nèi)應(yīng)力、釘扎物的分布等方面。對(duì)鎂基復(fù)合材料來(lái)講，主要可以用位錯(cuò)阻尼和晶界阻尼來(lái)解釋。

從材料的內(nèi)部組織變化引起的阻尼行為出發(fā)，鎂合金及其復(fù)合材料的阻尼機(jī)制可分為熱彈性阻尼、黏性阻尼、缺陷阻尼等。在鎂合金中，缺陷阻尼占主導(dǎo)地位，缺陷包括：點(diǎn)缺陷(空位和無(wú)序)、線缺陷(位錯(cuò))、面缺陷(晶界和相界)、體缺陷(微孔和微裂紋)等。

相對(duì)于鎂合金來(lái)說(shuō)，對(duì)鎂基復(fù)合材料的阻尼性能的研究相對(duì)較多。復(fù)合材料在大多數(shù)情況下具有比基體合金材料稍好的阻尼性能，這可歸因于第二相的加入增加了基體中的位錯(cuò)密度等晶體缺陷、第二相本身有更好的阻尼性能以及兩相結(jié)合界面吸收振動(dòng)能量等因素?，F(xiàn)今對(duì)鎂基阻尼復(fù)合材料所進(jìn)行的研究中，一般選擇本身阻尼性能很好的純Mg、Mg-Zr作為基體，把它們與常用的增強(qiáng)體，如碳化硅顆粒、硅酸鋁短纖維、短切碳纖維、碳化硅晶須、硼酸鋁晶須、Al2O3顆粒碳、石墨纖維等復(fù)合制成復(fù)合材料。在此類(lèi)復(fù)合材料中，碳或石墨纖維起增加強(qiáng)度和剛度的作用，阻尼性能則由基體金屬提供。鎂基復(fù)合材料由于所使用的基體、增強(qiáng)相以及制備方法的不同，其阻尼性能相差較大，但總體阻尼性能要好于鎂合金，并且可以獲得機(jī)械性能與阻尼性能的優(yōu)良綜合效果[11]。

多孔鎂的阻尼性能

多孔鎂是一種輕質(zhì)高阻尼材料，具有密度小、孔隙率高和比表面積大等特點(diǎn)，減震能力良好。根據(jù)賈莉蓓等人的研究，多孔鎂的阻尼性能隨孔隙率增加或孔徑減小而明顯提高。這是由于多孔鎂本身宏觀組織的不均勻性使其加載時(shí)處于一種復(fù)雜的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，同時(shí)孔壁周?chē)霈F(xiàn)局部應(yīng)力集中，導(dǎo)致位錯(cuò)密度增加，阻尼性能改善[11]。Xie等人的研究表明，含有蓮孔狀的多孔鎂振動(dòng)阻尼性能優(yōu)于無(wú)孔鎂，這是由于孔洞的存在激發(fā)了高頻下的共振，可以有效減緩?fù)鈦?lái)沖擊[11]。

目前國(guó)內(nèi)外一些發(fā)明專(zhuān)利中也提到了不少高阻尼鎂合金。Zheng等人研制出了一種高強(qiáng)高阻尼鍛造鎂合金，該合金為Mg-Si-Cu合金，具有很高的強(qiáng)度和阻尼性能且制造成本低廉，作者在其專(zhuān)利中聲稱(chēng)該合金已成功解決了鎂合金機(jī)械性能和阻尼性能之間的矛盾[11]。Wang等人提出了一種雙重增強(qiáng)的Mg-Zn-Re合金，其中稀土元素包括La、Ce、Pr、Nd等。該合金具有較平衡的機(jī)械性能和阻尼性能，且有足夠的耐高溫能力[11]。

為獲得高強(qiáng)度高減振性能鎂合金，須選用滿(mǎn)足下列條件的合金元素：(1)在鎂中的固溶度很??；(2)有晶粒細(xì)化效果；(3)能形成具有應(yīng)力集中效應(yīng)大的球狀或樹(shù)枝狀鑄造組織；(4)耐蝕性不低于傳統(tǒng)合金。合金化方法雖可保證鎂高阻尼特性，并改善力學(xué)性能，但合金強(qiáng)度還是偏低。

高阻尼鎂合金的重要研究方向之一是引入新的阻尼增強(qiáng)機(jī)制。在材料結(jié)構(gòu)功能一體化阻尼技術(shù)方面，以具有重要工程應(yīng)用前景的輕質(zhì)、高阻尼鎂合金為基體材料，采用表面處理的SiC顆粒、石墨纖維等無(wú)機(jī)微納米粒子作為增強(qiáng)物，通過(guò)多阻尼機(jī)制的疊加，獲得兼具高阻尼、高強(qiáng)度的阻尼結(jié)構(gòu)一體化材料，將是未來(lái)高阻尼鎂合金材料的重要方向。

阻尼鎂合金的應(yīng)用進(jìn)展

近年來(lái)，隨著科技的發(fā)展，人們對(duì)減振降噪技術(shù)的需要越來(lái)越迫切。在國(guó)防工業(yè)中，火箭、衛(wèi)星失效分析結(jié)果表明，約2/3的故障與振動(dòng)和噪音有關(guān)。眾多傳統(tǒng)的高阻尼金屬材料，例如Mn-Cu合金、灰鑄鐵、Zn-Al合金等，由于密度大、耐熱性差等原因，在航空航天中應(yīng)用受到很大限制。橡膠和高分子材料的阻尼性能雖然很好，但其強(qiáng)度低、耐熱和抗老化等性能差，應(yīng)用范圍也受到很大的限制。因此，航空航天領(lǐng)域目前需要一種強(qiáng)度較高、耐熱性和抗老化性較好的金屬阻尼材料，以適應(yīng)日益迫切的減重降噪需求。

隨著全球環(huán)境和資源問(wèn)題日益加劇，由于鎂合金具有質(zhì)量輕，高阻尼等諸多優(yōu)點(diǎn)，在汽車(chē)、電子領(lǐng)域的應(yīng)用可以大大降低噪音和能耗，因此鎂合金將在未來(lái)的結(jié)構(gòu)材料中占據(jù)重要地位。在航空航天工業(yè)，阻尼鎂合金可用作火箭導(dǎo)彈和噴氣式飛機(jī)等的控制盤(pán)、導(dǎo)航儀等精密儀器及發(fā)動(dòng)機(jī)罩、軍用飛機(jī)的機(jī)尾罩、空速管等；在航海工業(yè)，阻尼鎂合金可用作艦船發(fā)動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)部件、潛艇的螺旋槳等；在汽車(chē)工業(yè)，阻尼鎂合金可用作汽車(chē)車(chē)體、剎車(chē)裝置、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)部分、變速箱和空氣凈化器等；在建筑工業(yè)，阻尼鎂合金可用作裝飾材料；在家電行業(yè)，阻尼合金可用作防噪音罩等[12]。

與其他高阻尼合金相比，鎂及鎂合金還具有比重低、較高的比強(qiáng)度和比剛度、優(yōu)良的電磁屏蔽性等優(yōu)點(diǎn)，在資源匱乏和能源日益短缺的今天，受到人們的高度關(guān)注，作為結(jié)構(gòu)和功能元件已越來(lái)越多的應(yīng)用于航空、航天、汽車(chē)、電子等行業(yè)，并收到良好的效果。

高阻尼鎂合金的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用是防振減噪的有效措施之一。純鎂及其合金的阻尼機(jī)制屬于缺陷阻尼的位錯(cuò)阻尼，其內(nèi)耗可以分為阻尼共振型和靜滯后型兩類(lèi)。工程上應(yīng)用的高阻尼主要是利用與振幅有關(guān)，與頻率無(wú)關(guān)的靜滯后型。目前主要通過(guò)合金化、變形工藝改性、對(duì)現(xiàn)有高強(qiáng)鎂合金進(jìn)行改性等方法開(kāi)發(fā)高強(qiáng)度阻尼鎂合金。在鎂合金中添加Zr、Ni、Mn、Cu、Si、Ca、La、Nd等元素可形成不同阻尼鎂合金，其中較為典型的有Mg-Zr系、Mg-Ni系和Mg-Cu-Mn系鎂合金。近年來(lái)許多研究都表明鎂合金的LPSO結(jié)構(gòu)在提高強(qiáng)度的同時(shí)，能夠提高合金的阻尼性能。

阻尼鎂合金的發(fā)展趨勢(shì)

鎂基復(fù)合材料因增強(qiáng)物而引入新的阻尼機(jī)制，應(yīng)該是今后鎂基阻尼材料重要研究的領(lǐng)域。采用高阻尼的金屬基體、通過(guò)加入高阻尼的增強(qiáng)物以及設(shè)計(jì)并制備高阻尼的界面層是獲得高阻尼金屬基復(fù)合材料的3種有效途徑。在材料結(jié)構(gòu)功能一體化阻尼技術(shù)方面，采用表面處理的無(wú)機(jī)微納米粒子作為增強(qiáng)物，以鎂合金為基體與合適的黏彈性材料復(fù)合，發(fā)展密度小同時(shí)又集結(jié)構(gòu)與阻尼功能于一體的復(fù)合材料將是未來(lái)高阻尼鎂基材料的重要方向。

泡沫金屬材料是新近發(fā)展起來(lái)的一種新型高阻尼合金，它既保留了金屬的強(qiáng)度特性，同時(shí)又具有類(lèi)似于泡沫塑料的高阻尼性能。阻尼性能一般高出塊體材料的5～10倍，具有99%的吸聲能力，20世紀(jì)90年代國(guó)內(nèi)外就已有研究發(fā)現(xiàn)不同發(fā)泡程度對(duì)金屬鋁的阻尼性能的影響。

近幾年來(lái)，隨著汽車(chē)工業(yè)和電子工業(yè)以及航空航天產(chǎn)品的迅速發(fā)展，對(duì)降低產(chǎn)品重量，減少能源消耗和減振降噪性等都提出了更迫切的要求。因此，對(duì)鎂合金阻尼性能及其機(jī)理的研究也不斷深入。阻尼性能和力學(xué)性能是相互矛盾的，提高阻尼性能往往意味著犧牲力學(xué)性能。而高阻尼合金作為結(jié)構(gòu)功能一體化的新材料，能否在實(shí)際中應(yīng)用取決于材料的阻尼性能與力學(xué)性能的綜合。從鎂合金的阻尼機(jī)理我們不難看出，目前位錯(cuò)機(jī)制仍是純鎂及鎂合金主要的阻尼機(jī)制，但位錯(cuò)除了刃位錯(cuò)之外，還有螺位錯(cuò)，而螺位錯(cuò)對(duì)阻尼機(jī)理的影響尚未清楚，如何找到最優(yōu)位錯(cuò)以使阻尼性能最好值得探討。通過(guò)添加新的增強(qiáng)相和合金元素引入除位錯(cuò)阻尼外新的阻尼機(jī)制，從而從根本上解決阻尼性能和力學(xué)性能這對(duì)矛盾，將是未來(lái)高性能阻尼鎂合金材料研究的重要方向。另外對(duì)產(chǎn)品外形結(jié)構(gòu)與阻尼性能的關(guān)系進(jìn)行研究，使設(shè)計(jì)出的產(chǎn)品外形結(jié)構(gòu)適合減振降噪也是值得關(guān)注的一個(gè)新方向[13]。

攝影 高 龑

結(jié)束語(yǔ)

隨著航空、航天、汽車(chē)、建筑等振動(dòng)和噪聲較為嚴(yán)重的行業(yè)對(duì)輕質(zhì)、高強(qiáng)、高阻尼結(jié)構(gòu)材料需求量的日益加大，阻尼鎂合金材料必將成為鎂合金研究開(kāi)發(fā)的重要發(fā)展方向之一。