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Sn-Bi涂覆Al_(18)B_4O_(33)w/Al复合材料的界面设计及阻尼机制研究

刘刚  
【摘要】:本论文以硼酸铝晶须增强铝基复合材料为研究对象,采用化学共沉积的方法在增强体表面涂覆单质Bi_2O_3及SnO_2与Bi_2O_3混合氧化物颗粒,在复合材料的制备过程中利用这些氧化物颗粒与铝之间的反应向增强体和铝基体之间引入非连续低熔点金属界面相,实现对复合材料界面状态的调整及控制;在不显著降低复合材料静态力学性能的基础上大幅度提高复合材料的阻尼性能。利用热分析仪(DSC/TG)研究晶须表面涂覆颗粒的热分解过程及与晶须反应特征,研究复合材料在加热过程中界面相的熔化过程与相变特征。利用高温及室温X射线衍射仪分析复合材料在不同状态下的相组成和相变规律。利用透射电镜(TEM)及高分辨透射电镜(HRTEM)研究复合材料内部的微观组织结构以及低熔点金属界面相的组织演化。重点研究对阻尼特性有显著影响的界面相形态、结构与分布特征,以及近界面区基体位错组态、晶界等微观结构。掌握不同界面状态下复合材料的阻尼行为随温度、振动频率、应变振幅及升温速率的变化规律,建立界面微观组织结构与复合材料阻尼功能之间的内在联系。 DSC和XRD的测试结果表明Al_(18)B_4O_(33)晶须的存在加速了Bi(OH)_3的分解与晶化过程且改变了Bi_2O_3的相变温度。当温度高于650℃时Al_(18)B_4O_(33)晶须与Bi_2O_3发生界面反面生成Al_4Bi_2O_9。Al_(18)B_4O_(33)晶须对Bi(OH)3和Sn(OH)_4混合胶体的分解行为不产生影响,当温度高于605℃时SnO_2和Bi_2O_3发生反应,在晶须表面形成晶态的Sn_2Bi_2O_7。 TEM观察结果表明,无论Bi_2O_3涂层还是SnO_2/Bi_2O_3复合涂层,在挤压铸造过程均会与基体Al之间发生反应,在界面处生成单质Bi或Sn和Bi的混合物,低熔点相的生成不仅改变了复合材料的界面结构,而且降低了材料体系的位错密度和缠结程度。含涂层晶须预制件的烧结温度不仅影响晶须表面涂层结构、复合材料界面结构,而且对含涂层复合材料的阻尼特性与阻尼机制也产生影响。 在阻尼性能的研究过程中发现,含Bi_2O_3涂层的复合材料在80℃和285℃附近存在两个明显的阻尼峰P1与P2。该涂覆复合材料的阻尼性能不仅强烈依赖于晶须表面的涂覆量而且依赖于应变振幅。P1的阻尼机制归功于位错运动及晶须/Bi之间的界面滑移,因为P1的阻尼容量不仅依赖于应变振幅而且依赖于涂覆量。P2的阻尼机制强烈依赖于应变振幅其峰温随应变振幅的增加向低温移动。控制该复合材料的高温阻尼机制从Bi的熔化阻尼到晶须/Al的界面阻尼,直至晶须/Al界面与晶粒边界混合控制的阻尼机制。 含混合涂层复合材料的阻尼温度谱中仅在150℃附近出现一个阻尼峰,其阻尼值同样依赖于应变振幅和涂层含量,然而该峰的峰温并不随应变的增加而变化,相应的阻尼机制为晶须/涂层之间的界面滑移以及涂层中Sn的熔化阻尼。 在测试频率为0.5Hz和70Hz下,含涂层复合材料的阻尼温度曲线中均存在一个明显的临界温度点,临界点温度随着涂覆量的增加而降低,表明高涂层含量时界面滑移产生的能量损耗更加容易发生。含涂层复合材料的阻尼机制在临界温度点前后由位错阻尼向界面阻尼机制转换。当振动频率低于40Hz时,复合材料的阻尼容量随频率的增加而降低,表现出弛豫特征;当振动频率高于40Hz时,复合材料的阻尼容量随频率的增加而增加,热弹性阻尼成为控制的阻尼机制。仅当振动频率为50Hz时,含涂层复合材料的阻尼-应变谱中才出现由于位错脱钉而产生的阻尼峰。


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