空心球-Al多孔材料阻尼與沖擊吸能行為及其機(jī)理研究.pdf

1、本文設(shè)計(jì)制備了體積分?jǐn)?shù)約為70％的粉煤灰空心球/Al多孔材料，利用金相顯微鏡、透射電子顯微鏡(TEM)、掃描電子顯微鏡(SEM)、電子拉伸機(jī)、內(nèi)耗儀和Hopkinson壓桿等手段較為系統(tǒng)地研究了多孔材料的微觀結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能、阻尼性能和沖擊吸能性能并探討了微觀結(jié)構(gòu)與性能的相關(guān)性。
　　首先對(duì)空心球的性能進(jìn)行了測(cè)試分析和計(jì)算。空心球的主要成分為SiO2和Al2O3，密度為0.6g/cm3～1.0g/cm3，孔率為60%～70%，彈性模

2、量為10GPa～30GPa。
　　TEM觀察表明，空心球/Al多孔材料的界面結(jié)合良好；純鋁基體與空心球不發(fā)生界面反應(yīng)而含Mg的6061與其反應(yīng)生成MgAl2O4。
　　空心球/1199Al(退火態(tài))和空心球/6061Al(T6態(tài))多孔材料(80μm空心球，Vf=70%)的三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度為70MPa左右，抗拉強(qiáng)度為30MPa～36MPa，彈性模量為22GPa～27GPa。孔含量和空心球的相對(duì)球殼厚度(t/R)對(duì)力學(xué)性能有較大影響

3、，而基體的強(qiáng)塑性對(duì)多孔材料力學(xué)性能的貢獻(xiàn)不明顯。多孔材料呈脆性斷裂特征。
　　以1199Al及6061Al合金為基體，利用扭擺法和彎曲共振法分別研究空心球/Al多孔材料在變溫條件(室溫～520℃)下的低頻(f=1Hz)內(nèi)耗和室溫下的聲頻內(nèi)耗(f=1kHz～2kHz)特性。結(jié)果表明，孔含量對(duì)空心球/Al多孔材料的低頻內(nèi)耗基本無(wú)影響，而對(duì)聲頻內(nèi)耗的影響很大?？招那騼?nèi)的氣體在外加交變載荷作用下振動(dòng)，產(chǎn)生熱阻尼(Q-1th)，并且Q-1t

4、h隨頻率的增加而增大。當(dāng)頻率在1Hz～10Hz范圍內(nèi)時(shí)，Q-1th在10-5～10-4量級(jí)，對(duì)材料的低頻內(nèi)耗(10-3量級(jí))基本無(wú)影響；當(dāng)頻率較高(～kHz)時(shí)，Q-1th為(10-3～10-2)量級(jí)，對(duì)材料聲頻內(nèi)耗(10-2量級(jí))的貢獻(xiàn)較大，可達(dá)聲頻內(nèi)耗的50%左右。
　　空心球與鋁的界面對(duì)多孔材料阻尼性能的影響表現(xiàn)為：當(dāng)溫度較低時(shí)(室溫～100℃)，界面結(jié)合強(qiáng)度較高，界面處不會(huì)發(fā)生相對(duì)滑移，故不貢獻(xiàn)阻尼。當(dāng)溫度高于100℃左右

5、時(shí)，鋁基體發(fā)生“軟化”，在外力作用下，空心球與鋁的界面處發(fā)生原子尺度的相對(duì)滑移，使多孔材料的界面阻尼增加并在阻尼機(jī)制中占主導(dǎo)地位；當(dāng)溫度高于300℃左右時(shí)，以1199Al為基體的多孔材料中空心球與鋁界面結(jié)合較弱的區(qū)域出現(xiàn)“脫粘”，引起阻尼值隨機(jī)跳動(dòng)，這在界面結(jié)合強(qiáng)度較高的6061Al基多孔材料中不出現(xiàn)。
　　以6061Al(T6)和1199Al(退火)為基體的對(duì)比研究表明：鋁合金基體中的析出相(體積分?jǐn)?shù)約為0.6%)釘扎位錯(cuò)，減小

6、了位錯(cuò)段的有效長(zhǎng)度，使材料的位錯(cuò)阻尼下降。低頻下，當(dāng)溫度較低時(shí)(室溫～100℃)，位錯(cuò)阻尼占主導(dǎo)，因而析出相使低頻內(nèi)耗降低的幅度較大，約為30%；當(dāng)頻率為1kHz～2kHz時(shí)，多孔材料的阻尼機(jī)理以熱阻尼為主(占聲頻內(nèi)耗的30%～50%)，析出相使聲頻內(nèi)耗降低的幅度稍小，約為15%。
　　準(zhǔn)靜態(tài)壓縮條件下，空心球/Al多孔材料的屈服強(qiáng)度和吸能能力與基體合金強(qiáng)度成正比，1199Al和7075Al基多孔材料的吸能能力分別為17MJ/m3

7、和24MJ/m3。相同基體條件下，空心球直徑減小，多孔材料的屈服強(qiáng)度和吸能能力增加。結(jié)合顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料強(qiáng)度的“混合法則”和泡沫鋁強(qiáng)度的預(yù)測(cè)公式建立了空心球/Al多孔材料的壓縮屈服強(qiáng)度(σy)與基體壓縮屈服強(qiáng)度(σ0)、空心球的體積分?jǐn)?shù)(f)、空心球殼體材料的抗壓強(qiáng)度(σwall)、空心球相對(duì)球殼厚度(t/R)之間的關(guān)系：σy=σ0C(1-f)3/2+σwallC[1-(1-t/R)3]3/2f，式中，C為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，取值為0.3。

8、
　　動(dòng)態(tài)壓縮條件下，空心球/Al多孔材料的應(yīng)變率敏感性取決于鋁基體的應(yīng)變率敏感性。1199Al具有較大的應(yīng)變率敏感性系數(shù)(Σ)，為0.04左右，隨應(yīng)變率的增大，以1199Al為基體的多孔材料的屈服強(qiáng)度和吸能能力增加，與準(zhǔn)靜態(tài)壓縮條件相比，吸能能力提高了約50%～70%，達(dá)到30MJ/m3～40MJ/m3。采用本文提出的“三參數(shù)數(shù)據(jù)擬合公式(three-parameter data-fitting equation)”可以較準(zhǔn)確地