泡孔結(jié)構(gòu)對原位生成TiB2增強(qiáng)鋁基泡沫材料阻尼性能的影響

鄭興璋，曹卓坤，張志剛

(東北大學(xué) 1.多金屬共生礦生態(tài)化冶金教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室； 2.冶金學(xué)院，沈陽 110819)

為了兼顧汽車的輕量化和安全性，現(xiàn)如今已有使用泡沫鋁作為汽車的結(jié)構(gòu)材料[1].同時，為了減少汽車車身的機(jī)械振動，提高汽車的舒適性，泡沫鋁結(jié)構(gòu)功能一體化的特性受到了越來越多的關(guān)注，其中泡沫鋁的阻尼性能成為了一個重要的研究方向[2].

與塊狀鋁材料相比，泡沫鋁材料由于存在大量的泡孔結(jié)構(gòu)，具備更優(yōu)異的阻尼性能[3].研究者們分別探索了SiC、粉煤灰顆粒和碳納米管增強(qiáng)鋁基復(fù)合泡沫的阻尼性能，結(jié)果表明鋁基體和增強(qiáng)相之間存在的大量界面微滑移能夠改善泡沫鋁材料的阻尼性能[4-6].在鋁基復(fù)合泡沫中，相界面可以導(dǎo)致大量的界面微滑移，顯著影響泡沫材料的阻尼性能[5,7].

在Al-TiB2復(fù)合泡沫中，細(xì)小彌散的TiB2顆粒和基體之間有著大量且清晰的相界面[8]，因此TiB2顆粒是一種理想的鋁基復(fù)合泡沫的增強(qiáng)相.目前關(guān)于Al-TiB2復(fù)合泡沫的研究主要集中在力學(xué)性能上，而對其阻尼性能的研究報道幾乎沒有.為了促進(jìn)鋁基復(fù)合泡沫結(jié)構(gòu)功能一體化的發(fā)展，對Al-TiB2復(fù)合泡沫阻尼性能的研究是十分急迫且有必要的.本研究以原位生成的Al-TiB2合金為基體，在不同的正壓條件下制備出具有不同泡孔結(jié)構(gòu)特征的Al-TiB2復(fù)合泡沫，重點(diǎn)研究了TiB2的添加和孔隙率對Al-TiB2復(fù)合泡沫阻尼性能的影響.

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 樣品制備

以純鋁或者含質(zhì)量分?jǐn)?shù)7%原位生成TiB2增強(qiáng)的鋁合金為基體材料，在坩堝爐中700 ℃溫度下熔化；加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的金屬鈣進(jìn)行攪拌以實(shí)現(xiàn)增黏作用，然后加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%的氫化鈦，攪拌均勻后置于不同正壓壓力下進(jìn)行發(fā)泡；最后取出冷卻制備得到泡沫材料.

1.2 性能測試

使用山東聯(lián)工CMT-500力學(xué)萬能試驗(yàn)機(jī)對30 mm×30 mm×30 mm的正方體泡沫材料進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)壓縮測試，壓縮速率為2 mm/min.對于待測樣品的阻尼性能，使用TA-Q800型動態(tài)熱機(jī)械分析儀對55 mm×10 mm×5 mm泡沫樣品的損耗因子tanδ進(jìn)行測量，其中tanδ是樣品的耗能模量E″與儲能模量(有效楊氏模量)E′的比值[9]，是一個0～1之間的常數(shù)，其數(shù)值越大，材料的阻尼性能越高.具體的阻尼性能測試過程如下：基于三點(diǎn)彎曲模式，使用TA-Q800對樣品加載周期性振動，振幅和頻率分別為20 μm及1 Hz；為了考察溫度對樣品阻尼性能的影響，在施加振動的同時將樣品以5 ℃/min的升溫速率從室溫升溫至400 ℃.

1.3 材料表征

樣品的孔隙率P按照公式P=1-ρ*/ρs進(jìn)行計算，其中ρ*和ρs分別為泡沫樣品的密度和基體材料的密度；使用Quanta 250 FEG型場發(fā)射掃描電鏡對泡沫材料樣品的微觀形貌進(jìn)行分析；使用AL-μCT-90型電子計算機(jī)斷層掃描(computed tomography，CT)對30 mm×30 mm×30 mm的正方體Al-TiB2復(fù)合泡沫進(jìn)行斷層掃描，并且使用VGSTUDIO MAX3.4.3軟件對掃描得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行三維重建，并進(jìn)行分層二維切片.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 宏觀孔結(jié)構(gòu)分析

表1 純鋁泡沫及復(fù)合泡沫的宏觀結(jié)構(gòu)表征數(shù)據(jù)Table 1 Macroscopic structural characterization datas of pure aluminum foam and Al-TiB2 composite foam

圖1是不同孔隙率的Al-TiB2復(fù)合泡沫的宏觀孔結(jié)構(gòu)量化圖.在圖1中，柱狀圖表明隨著孔隙率的降低，復(fù)合泡沫中直徑較大的孔的數(shù)量減少甚至消失，泡孔的平均直徑也隨之降低.相對應(yīng)的，圖中左上角的三種不同孔隙率復(fù)合泡沫的彩色二維切片也表明隨著孔隙率的降低，復(fù)合泡沫的孔形變得更加規(guī)則且近似圓球形.在本研究中，為了表征泡孔的形狀及規(guī)則程度，還在表1中引入了泡孔球形度和縱橫比的概念[10].球形度為泡孔形狀接近球形的程度，為0～1之間的常數(shù)，其值越大，泡孔越接近球形.縱橫比為泡孔中最長軸與最短軸的比值，為不小于1的值，其值越小，泡孔越接近球形.從表1中可以發(fā)現(xiàn)，隨著正壓發(fā)泡過程中加壓壓力的增大，球形度值逐漸增大，縱橫比逐漸減小，表明泡孔更加接近圓球形，這主要與重力排液和氣泡凝聚現(xiàn)象的減少有關(guān)[11].

為了量化單位質(zhì)量的Al-TiB2復(fù)合泡沫中內(nèi)外部孔的面積之和，引入了一個記為比表面積α的物理量：

α=Sf/M

(1)

式中，Sf和M分別是被掃描的30 mm×30 mm×30 mm立方體樣品的內(nèi)外部面積之和及質(zhì)量.比表面積的具體結(jié)果如圖1和表1所示.從圖1和表1中可以看出，孔隙率越高的復(fù)合泡沫樣品具有更高的比表面積.

圖1 三種孔隙率下Al-TiB2復(fù)合泡沫的3D重建二維切片圖、比表面積折線圖和孔徑分布圖Fig.1 2D slice of 3D reconstruction of Al-TiB2 composite foam with three porosity, line chart of specific surface and diameter distribution of cells

2.2 泡沫材料力學(xué)性能分析

圖2為純鋁泡沫及三種不同孔隙率下Al-TiB2復(fù)合泡沫準(zhǔn)靜態(tài)壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線，具體的準(zhǔn)靜態(tài)壓縮性能數(shù)據(jù)如表2所示.綜合圖2及表2可以看出，在孔隙率接近的條件下，Al-TiB2復(fù)合泡沫具有比純鋁泡沫更高的屈服強(qiáng)度和楊氏模量，表明原位生成的TiB2顆粒有效增強(qiáng)了泡沫鋁的力學(xué)性能，這也與之前的研究相符合[12].如圖2中的三種孔隙率下Al-TiB2復(fù)合泡沫的應(yīng)力-應(yīng)變曲線及表2結(jié)果所示，隨著孔隙率的增大，Al-TiB2復(fù)合泡沫的屈服點(diǎn)前移，屈服強(qiáng)度和剛度下降，力學(xué)性能表現(xiàn)出了一定程度的下降.

圖2 純鋁泡沫及不同孔隙率下Al-TiB2復(fù)合泡沫的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.2 Stress-strain curves of pure aluminum foam and Al-TiB2 composite foams with different porosity

2.3 TiB2的添加對泡沫鋁材料阻尼性能的影響

圖3為具有相似孔隙率的純鋁泡沫和Al-TiB2復(fù)合泡沫的損耗因子(tanδ)隨溫度變化趨勢圖.從表1中可以發(fā)現(xiàn)，具有相似孔隙率的純鋁泡沫和Al-TiB2復(fù)合泡沫具有相似的球形度和縱橫比，意味著二者具有相似的孔形.從圖3中可以看到，在孔隙率和孔形相似的情況下，在整個測試溫度范圍內(nèi)，與純鋁泡沫材料相比，Al-TiB2復(fù)合泡沫的損耗因子提升了35%～80%.在循環(huán)載荷的作用下，除了鋁基體中本身固有的內(nèi)耗源[13]，TiB2顆粒增強(qiáng)相的添加也引入了一些新的內(nèi)耗源[14].

表2 純鋁泡沫及Al-TiB2復(fù)合泡沫準(zhǔn)靜態(tài)壓縮性能Table 2 Quasi-static compressive properties of pure aluminum foam and Al-TiB2 composite foams

圖3 相似孔隙率的純鋁泡沫與Al-TiB2復(fù)合泡沫損耗因子隨溫度變化趨勢圖Fig.3 Temperature dependence of loss factor of pure aluminum foam and Al-TiB2 composite foam with similar porosity

圖4為Al-TiB2復(fù)合泡沫的微觀形貌和元素面分布圖.由圖4(a)～(d)可知，(a)中棒狀及多邊形顆粒為TiB2，均勻分散在灰色的鋁基體中.在圖4(e)的放大2萬倍的SEM圖像中，單個TiB2顆粒呈現(xiàn)為平均邊長約2 μm的多邊形.由于更小的體積和更復(fù)雜的形狀，TiB2顆粒和鋁基體之間有更多的相界面.并且，由于TiB2顆粒是原位生成的，兩相的相界面非常清晰，這點(diǎn)與異位生成的增強(qiáng)相有較大不同.

圖4 Al-TiB2復(fù)合泡沫的SEM和EDS圖Fig.4 SEM and EDS micrographs of Al-TiB2 composite foam(a)—Al-TiB2基體SEM圖；(b)—Al分布；(c)—Ti分布；(d)—B分布；(e)—單個TiB2顆粒SEM圖.

Al-TiB2復(fù)合泡沫中，在增強(qiáng)相和基體的相界面附近存在著密集的位錯網(wǎng)絡(luò).由于TiB2顆粒和鋁基體之間存在著熱失配，導(dǎo)致復(fù)合泡沫凝固過程中在相界面附近產(chǎn)生大量的位錯.這些相界面附近的位錯網(wǎng)絡(luò)便是Al-TiB2復(fù)合泡沫在低溫下的主要內(nèi)耗源[15].在較高的溫度(小于400 ℃)下，TiB2顆粒由于熔點(diǎn)高，幾乎無變化，但鋁基體由于熔點(diǎn)相對較低，明顯變?nèi)彳洠缑嬉蛩乇愠蔀榱酥饕膬?nèi)耗源[16].從圖4中可以看到，TiB2顆粒復(fù)雜的多邊形形狀及更小的尺寸(2 μm)可以產(chǎn)生大量的位錯網(wǎng)絡(luò)和相界面，增加振動過程中的內(nèi)耗源，從而提高Al-TiB2復(fù)合泡沫的阻尼性能.

2.4 孔隙率對Al-TiB2復(fù)合泡沫阻尼性能的影響

圖5為不同孔隙率下Al-TiB2復(fù)合泡沫的損耗因子隨溫度變化趨勢圖.從圖5(a)中可以看到，儲能模量(E′)即有效楊氏模量隨著Al-TiB2復(fù)合泡沫孔隙率的增大而降低，說明試樣的剛度下降[9].由圖5(b)中三條曲線可以看出，在整個升溫區(qū)間內(nèi)，孔隙率更高的復(fù)合泡沫具有更高的損耗因子.在循環(huán)載荷的作用下，更低的剛度導(dǎo)致泡孔周邊更容易發(fā)生塑性微變形，進(jìn)而消耗更多的能量[17].

圖5 不同孔隙率下Al-TiB2復(fù)合泡沫的阻尼性能Fig.5 Damping capacity of Al-TiB2 composite foams with different porosity(a)—儲能模量/耗能模量-溫度曲線；(b)—損耗因子-溫度曲線.

由于在泡孔附近存在著應(yīng)力集中和模式轉(zhuǎn)換，任何形狀的泡孔都可以增加多孔材料的阻尼性能[3,18].孔棱的彎曲和孔壁與孔棱的褶皺使得泡孔附近存在應(yīng)力集中，因此數(shù)量更多并且形狀更復(fù)雜的孔可以提供更多的應(yīng)力集中和模式轉(zhuǎn)換[19].根據(jù)圖1和表1，隨著發(fā)泡過程中加壓壓力的降低，Al-TiB2復(fù)合泡沫孔隙率增大，并且孔形變得更加不規(guī)則且偏離球形.因此，在較低的壓力下發(fā)泡制得的高孔隙率Al-TiB2復(fù)合泡沫具有更高的損耗因子.

綜上所述，孔隙率更高的Al-TiB2復(fù)合泡沫具有更高的阻尼性能.與此同時，在表1中，由于樣品中泡孔密度的增大和泡孔形狀的復(fù)雜化加深，復(fù)合泡沫樣品的比表面積也隨著孔隙率的增大而增大[20].因此，比表面積可以用來指示由應(yīng)力集中和模式轉(zhuǎn)換所導(dǎo)致的內(nèi)耗源的數(shù)量[21].但是相對于開孔泡沫鋁，由于孔結(jié)構(gòu)的封閉性，閉孔泡沫鋁的比表面積具體數(shù)值難以獲得，本研究中結(jié)合CT設(shè)備與VGSTUDIO MAX3.4.3軟件，在圖1中具體且定量地統(tǒng)計了閉孔Al-TiB2復(fù)合泡沫的比表面積，并將結(jié)果體現(xiàn)在表1中；可以看到，隨著比表面積的增大，低溫區(qū)Al-TiB2復(fù)合泡沫的損耗因子明顯增大.

如以上所論，Al-TiB2復(fù)合泡沫的內(nèi)耗源主要包括以下三個因素：

E=EM+ETB+Eα

(2)

式中，E是復(fù)合泡沫的所有內(nèi)耗源；EM是由基體材料中固有的位錯和晶界的運(yùn)動所導(dǎo)致的內(nèi)耗源；ETB是由TiB2顆粒的添加所導(dǎo)致的內(nèi)耗源，主要包括相界面附近位錯網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)動及高溫下相界面的相對滑動所導(dǎo)致的能量損耗，同時也是導(dǎo)致原位生成的Al-TiB2復(fù)合泡沫的損耗因子大于純鋁泡沫的主要因素；Eα是由孔結(jié)構(gòu)所導(dǎo)致的內(nèi)耗源，隨著復(fù)合泡沫的孔隙率和比表面積的增大，損耗因子近似線性地增加.

3 結(jié) 論

(1)隨著外加壓力的增大，Al-TiB2復(fù)合泡沫材料的孔隙率逐漸減小，泡孔逐漸接近規(guī)則的圓球形，材料的屈服強(qiáng)度和楊氏模量逐漸增大，比表面積和損耗因子逐漸降低.

(2)原位生成TiB2顆粒與鋁基體之間存在大量的相界面，不僅可以增強(qiáng)泡沫鋁材料的力學(xué)性能，還可顯著提高其阻尼性能.

(3)Al-TiB2復(fù)合泡沫有復(fù)雜的阻尼機(jī)制，其內(nèi)耗源主要來自鋁基體內(nèi)部的位錯和晶界運(yùn)動、TiB2顆粒周邊的位錯網(wǎng)絡(luò)和相界面滑移，以及孔結(jié)構(gòu)周邊的應(yīng)力集中和模式轉(zhuǎn)換.