專利名稱：壓電陶瓷顆粒增強(qiáng)高阻尼鋁基復(fù)合材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種復(fù)合材料技術(shù)領(lǐng)域的鋁基材料，具體地說(shuō)，涉及的是一種壓 電陶瓷顆粒增強(qiáng)高阻尼鋁基復(fù)合材料。
技術(shù)背景鋁基復(fù)合材料由于其高比強(qiáng)度、高比模量而受到廣泛的應(yīng)用。近年來(lái)，隨著 汽車和航空航天技術(shù)的發(fā)展，振動(dòng)和噪聲問題越來(lái)越突出，研發(fā)高阻尼鋁基復(fù)合 材料日益迫切。鋁合金阻尼性能差，鋁基復(fù)合材料通過添加第二相——引入界面 阻尼，同時(shí)由于某些第二相材料的高本征阻尼性能從而擁有比基體材料高的阻尼 性能。但現(xiàn)有的鋁基復(fù)合材料，首先第二相種類少且都對(duì)復(fù)合材料阻尼性能貢獻(xiàn) 小，其次阻尼性能研究局限于傳統(tǒng)阻尼機(jī)制(熱彈性阻尼、位錯(cuò)阻尼、界面阻尼 等)由此大大制約了鋁基復(fù)合材料阻尼性能的提高。因此在鋁基復(fù)合材料中引入 新的第二相及開發(fā)新的阻尼機(jī)制是有效解決上述問題的關(guān)鍵。壓電陶瓷顆粒作為一種智能材料，可基于其特有的壓電效應(yīng)開發(fā)新型高值阻 尼機(jī)制——壓電阻尼(機(jī)械能通過壓電效應(yīng)轉(zhuǎn)化為電能，電能通過某種途徑轉(zhuǎn)化 為熱能，熱能耗散于外部環(huán)境中)，因此添加壓電陶瓷顆粒作為鋁基復(fù)合材料的 第二相對(duì)開發(fā)高阻尼鋁基復(fù)合材料有著廣闊的前景。并且在聚合物基復(fù)合材料 中，添加壓電陶瓷顆粒對(duì)復(fù)合材料阻尼性能的影響成為了聚合物基復(fù)合材料阻尼 性能研究的新熱點(diǎn)，并且已于聚合物基復(fù)合材料中實(shí)現(xiàn)了基于壓電效應(yīng)的壓電阻 尼機(jī)制。而金屬基復(fù)合材料，由于其基體與聚合物的極大差異并且兩類復(fù)合材料 制備方法的極大不同，導(dǎo)致了壓電阻尼在金屬基復(fù)合材料中至今沒有實(shí)現(xiàn)，并且 添加壓電陶瓷顆粒對(duì)金屬基復(fù)合材料阻尼性能的影響也鮮有報(bào)道。經(jīng)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，Ikushi Yoshida等在《Journal of Alloys and Compounds》(2003， vol. 355， pp. 136 - 141)發(fā)表的"Damping properties of metal-piezoelectric composites"(《壓電材料與金屬的復(fù)合材料的阻尼性 能》) 一文中，為探索新阻尼機(jī)制而在金屬基復(fù)合材料中首次引入壓電陶瓷顆粒作為第二相，制備了鈦酸鉛顆粒與純銅的復(fù)合材料，其阻尼性能(T=300K， f=2-3Hz， e=10—4)為純銅的3到5倍。文中只是簡(jiǎn)單地把鈦酸鉛與純銅復(fù)合， 利用鈦酸鉛陶瓷顆粒的本征阻尼性能和引入的界面阻尼來(lái)獲得比基體高的阻尼 性能，這與添加碳化硅顆?；蚴w粒等第二相的作用相同，并沒有實(shí)現(xiàn)基于壓 電效應(yīng)的壓電阻尼機(jī)制，因此文中銅基復(fù)合材料的阻尼性能比現(xiàn)有銅基復(fù)合材料 的阻尼性能提高有限。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種壓電陶瓷顆粒增強(qiáng)高阻尼 鋁基復(fù)合材料，這種復(fù)合材料把覆蓋涂層的壓電陶瓷顆粒作為第二相，基于壓電 材料特有的壓電效應(yīng)，于復(fù)合材料中實(shí)現(xiàn)高值壓電阻尼機(jī)制——機(jī)械能通過壓電 效應(yīng)轉(zhuǎn)化為電能，而電能通過壓電顆粒外涂層構(gòu)成的電阻回路轉(zhuǎn)化為熱能，最終 熱能耗散于外部環(huán)境中，由此提高復(fù)合材料的阻尼性能。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明所述的壓電陶瓷顆粒增強(qiáng)高阻尼 鋁基復(fù)合材料，由基體鋁合金和覆蓋涂層的壓電顆粒組成，它們的體積百分比為 覆蓋涂層的壓電顆粒20-60%，其余為鋁合金。所述的覆蓋涂層的壓電顆粒，其中壓電顆粒為鈦酸鋇、鈦酸鉛、鋯鈦酸鉛、 鈮酸鋰、鉭酸鋰中的一種。所述的覆蓋涂層的壓電顆粒，其中覆蓋涂層為由絕緣體或半導(dǎo)體構(gòu)成的單涂 層和由導(dǎo)體、絕緣體或?qū)w、半導(dǎo)體構(gòu)成的雙涂層中的一種。所述的由絕緣體或半導(dǎo)體構(gòu)成的單涂層由現(xiàn)有技術(shù)中的溶膠凝膠法、電鍍、 化學(xué)鍍、PVD、 CVD中的一種制得，其厚度為0.5-3pm，該涂層包覆壓電顆粒， 涂層連續(xù)均勻，結(jié)合良好。所述的由導(dǎo)體、絕緣體或?qū)w、半導(dǎo)體構(gòu)成的雙涂層，導(dǎo)體層在內(nèi)，由現(xiàn)有 技術(shù)中的溶膠凝膠法、電鍍、化學(xué)鍍、PVD、 CVD中的一種制得，厚度為0.5-3 um，包覆壓電顆粒，涂層連續(xù)均勻；絕緣體層或半導(dǎo)體層在外，由現(xiàn)有技術(shù)中 的溶膠凝膠法、電鍍、化學(xué)鍍、PVD、 CVD中的一種制得，厚度為0.5-3um，包 覆導(dǎo)體層，涂層連續(xù)均勻。所述的覆蓋涂層的壓電顆粒均勻分布于基體中，與基體界面干凈，結(jié)合良好。本發(fā)明所述的壓電陶瓷顆粒增強(qiáng)高阻尼鋁基復(fù)合材料由現(xiàn)有技術(shù)中的壓力浸滲、粉末冶金、攪拌鑄造中的一種制得。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明在鋁基復(fù)合材料中引入了新的第二相——壓電陶瓷 顆粒，并且實(shí)現(xiàn)新型阻尼機(jī)制——壓電阻尼，解決了鋁基復(fù)合材料阻尼性能差的 問題。本發(fā)明把覆蓋涂層的壓電顆粒作為鋁基復(fù)合材料的第二相，基于壓電材料 特有的壓電效應(yīng)，于復(fù)合材料中實(shí)現(xiàn)高值壓電阻尼機(jī)制，從而提高鋁基復(fù)合材料 的阻尼性能。對(duì)于覆蓋由絕緣體或半導(dǎo)體構(gòu)成的單涂層壓電顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材 料其理論損耗因子峰值(室溫、中高頻、低應(yīng)變)為0.02-0. 06，是相同測(cè)試條 件下基體損耗因子峰值的20-40倍；對(duì)于覆蓋由導(dǎo)體、絕緣體或?qū)w、半導(dǎo)體構(gòu) 成的雙涂層壓電顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料其理論損耗因子峰值(室溫、低頻、低應(yīng) 變)為0.03-0. 14，是相同測(cè)試條件下基體損耗因子峰值的10-40倍。最終所制 得的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)致密，具有優(yōu)異的阻尼性能。
具體實(shí)施方式
下面對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說(shuō)明本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下 進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限 于下述的實(shí)施例。以下實(shí)施例中使用的基體鋁合金，組分及其重量百分比為10-13%Si，雜質(zhì) 《0.2°/。，其余為Al;使用的鈮酸鋰、鉭酸鋰顆粒為九江市金鑫有色金屬有限公 司生產(chǎn)，粒徑為15-60urn;使用的鈦酸鋇、鈦酸鉛顆粒為無(wú)錫市鵝湖電器設(shè)備 銷售有限公司生產(chǎn)，粒徑為10um-35um。實(shí)施例1 二氧化硅涂層鈮酸鋰顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料 本實(shí)施例為覆蓋絕緣體單涂層壓電陶瓷顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料。 本實(shí)施例中二氧化硅涂層鈮酸鋰顆粒的體積分?jǐn)?shù)為40%，其余為鋁合金。 本實(shí)施例中包覆鈮酸鋰顆粒的二氧化硅涂層由現(xiàn)有技術(shù)中的凝膠溶膠法制得，其厚度為0.8pm，涂層連續(xù)均勻，與鈮酸鋰顆粒結(jié)合良好。本實(shí)施例中二氧化硅涂層鈮酸鋰顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料由現(xiàn)有技術(shù)中的攪拌鑄造法制得。所制得的復(fù)合材料，二氧化硅涂層鈮酸鋰顆粒均勻分布于基體中，與基體界 面干凈，結(jié)合良好，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)致密，典型阻尼性能為室溫，e =10—4， f=500Hz，tan S =0. 042 (相同測(cè)試條件下的基體阻尼性能為tan S =0. 0016)。'實(shí)施例2 二氧化硅涂層鋯鈦酸鉛顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料 本實(shí)施例為覆蓋絕緣體單涂層壓電陶瓷顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料。 本實(shí)施例中二氧化硅涂層鋯鈦酸鉛顆粒的體積分?jǐn)?shù)為60%，其余為鋁合金。 本實(shí)施例中包覆鋯鈦酸鉛顆粒的二氧化硅涂層由現(xiàn)有技術(shù)中的凝膠溶膠法制得，其厚度為1.5"m，涂層連續(xù)均勻，與鋯鈦酸鉛顆粒結(jié)合良好。本實(shí)施例中二氧化硅涂層鋯鈦酸鉛顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料由現(xiàn)有技術(shù)中的攪拌鑄造法制得。所制得的復(fù)合材料，二氧化硅涂層鋯鈦酸鉛顆粒均勻分布于基體中，與基體 界面干凈，結(jié)合良好，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)致密，典型阻尼性能為室溫，e=10—4， f=600Hz， tan S =0. 056 (相同測(cè)試條件下的基體阻尼性能為tan 5 =0. 0014)。實(shí)施例3 二氧化鈦涂層鈦酸鋇顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料 本實(shí)施例為覆蓋半導(dǎo)體單涂層壓電陶瓷顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料。 本實(shí)施例中二氧化鈦涂層鈦酸鋇顆粒的體積分?jǐn)?shù)為20%，其余為鋁合金。 本實(shí)施例中包覆鈦酸鋇顆粒的二氧化鈦涂層由現(xiàn)有技術(shù)中的凝膠溶膠法制得，其厚度為lym，涂層連續(xù)均勻，與鈦酸鋇顆粒結(jié)合良好。本實(shí)施例中二氧化鈦涂層鈦酸鋇顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料由現(xiàn)有技術(shù)中的粉末冶金法制得。所制得的復(fù)合材料，二氧化鈦涂層鈦酸鋇顆粒均勻分布于基體中，與基體界 面干凈，結(jié)合良好，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)致密，典型阻尼性能為室溫，e =10—4， f=20kHz， tan 5 =0. 012 (相同測(cè)試條件下的基體阻尼性能為tan S =0. 0005)。實(shí)施例4 二氧化鈦涂層鈦酸鉛顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料 本實(shí)施例為覆蓋半導(dǎo)體單涂層壓電陶瓷顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料。 本實(shí)施例中二氧化鈦涂層鈦酸鉛顆粒的體積分?jǐn)?shù)為40%，其余為鋁合金。 本實(shí)施例中包覆鈦酸鉛顆粒的二氧化鈦涂層由現(xiàn)有技術(shù)中的凝膠溶膠法制 得，其厚度為2um，涂層連續(xù)均勻，與鈦酸鉛顆粒結(jié)合良好。本實(shí)施例中二氧化鈦涂層鈦酸鉛顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料由現(xiàn)有技術(shù)中的粉 末冶金法制得。所制得的復(fù)合材料，二氧化鈦涂層鈦酸鉛顆粒均勻分布于基體中，與基體界 面干凈，結(jié)合良好，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)致密，典型阻尼性能為室溫，e =10—4， f=10kHz， tan S =0. 022 (相同測(cè)試條件下的基體阻尼性能為tan S =0. 0006)。實(shí)施例5銅、二氧化硅雙涂層鈮酸鋰顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料 本實(shí)施例為覆蓋導(dǎo)體、絕緣體雙涂層壓電陶瓷顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料。 本實(shí)施例中銅、二氧化硅雙涂層鈮酸鋰顆粒的體積分?jǐn)?shù)為40%,其余為鋁合金。本實(shí)施例中包覆鈮酸鋰顆粒雙涂層中的銅層在內(nèi)，由現(xiàn)有技術(shù)中的化學(xué)鍍法 制得，涂層厚0.6um，連續(xù)均勻，與鈮酸鋰顆粒結(jié)合良好；雙涂層中的二氧化 硅涂層在外，由現(xiàn)有技術(shù)中的凝膠溶膠法制得，其厚度為lum，涂層連續(xù)均勻， 與銅層結(jié)合良好。本實(shí)施例中銅、二氧化硅雙涂層鈮酸鋰顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料由現(xiàn)有技術(shù)中 的壓力浸滲法制得。所制得的復(fù)合材料，銅、二氧化硅雙涂層鈮酸鋰顆粒均勻分布于基體中，與 基體界面干凈，結(jié)合良好，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)致密，典型阻尼性能為室溫，s=10—4， f=lHz， tan S =0. 082 (相同測(cè)試條件下的基體阻尼性能為tan S =0. 004)。實(shí)施例6銅、二氧化硅雙涂層鉅酸鋰顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料 本實(shí)施例為覆蓋導(dǎo)體、絕緣體雙涂層壓電陶瓷顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料。 本實(shí)施例中銅、二氧化硅雙涂層鉭酸鋰顆粒的體積分?jǐn)?shù)為60%，其余為鋁合金。本實(shí)施例中包覆鉭酸鋰顆粒雙涂層中的銅層在內(nèi)，由現(xiàn)有技術(shù)中的化學(xué)鍍法 制得，涂層厚lixm，連續(xù)均勻，與鉭酸鋰顆粒結(jié)合良好；雙涂層中的二氧化硅 涂層在外，由現(xiàn)有技術(shù)中的凝膠溶膠法制得，其厚度為3um，涂層連續(xù)均勻， 與銅層結(jié)合良好。本實(shí)施例中銅、二氧化硅雙涂層鉭酸鋰顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料由現(xiàn)有技術(shù)中的壓力浸滲法制得。所制得的復(fù)合材料，銅、二氧化硅雙涂層鉭酸鋰顆粒均勻分布于基體中，與 基體界面干凈，結(jié)合良好，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)致密，典型阻尼性能為室溫，e=l(T4， f=lHz， tan S =0. 135 (相同測(cè)試條件下的基體阻尼性能為tan S =0. 004)。實(shí)施例7銅、二氧化鈦雙涂層鈮酸鋰顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料 本實(shí)施例為覆蓋導(dǎo)體、半導(dǎo)體雙涂層壓電陶瓷顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料。 本實(shí)施例中銅、二氧化鈦雙涂層鈮酸鋰顆粒的體積分?jǐn)?shù)為20%，其余為鋁合金。本實(shí)施例中包覆鈮酸鋰顆粒雙涂層中的銅層在內(nèi)，由現(xiàn)有技術(shù)中的化學(xué)鍍法 制得，涂層厚0.5um，連續(xù)均勻，與鈮酸鋰顆粒結(jié)合良好；雙涂層中的二氧化 鈦涂層在外，由現(xiàn)有技術(shù)中的凝膠溶膠法制得，其厚度為3ym，涂層連續(xù)均勻， 與銅層結(jié)合良好。本實(shí)施例中銅、二氧化鈦雙涂層鈮酸鋰顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料由現(xiàn)有技術(shù)中 的攪拌鑄造法制得。所制得的復(fù)合材料，銅、二氧化鈦雙涂層鈮酸鋰顆粒均勻分布于基體中，與 基體界面干凈，結(jié)合良好，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)致密，典型阻尼性能為室溫，e=10—4， f=80Hz， tan S =0. 032 (相同測(cè)試條件下的基體阻尼性能為tan S =0. 003)。
權(quán)利要求
1、一種壓電陶瓷顆粒增強(qiáng)高阻尼鋁基復(fù)合材料，其特征在于，由基體鋁合金和覆蓋涂層的壓電顆粒組成，覆蓋涂層的壓電顆粒的體積百分比為20-60％，鋁合金為余量，其中所述覆蓋涂層的壓電顆粒，其中覆蓋涂層為由絕緣體或半導(dǎo)體構(gòu)成的單涂層和由導(dǎo)體、絕緣體或?qū)w、半導(dǎo)體構(gòu)成的雙涂層中的一種。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓電陶瓷顆粒增強(qiáng)高阻尼鋁基復(fù)合材料，其特征 是，所述覆蓋涂層的壓電顆粒，其中壓電顆粒為鈦酸鋇、鈦酸鉛、鋯鈦酸鉛、鈮 酸鋰、鉭酸鋰中的一種。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓電陶瓷顆粒增強(qiáng)高阻尼鋁基復(fù)合材料，其特征 是，所述的由絕緣體或半導(dǎo)體構(gòu)成的單涂層，其厚度為0.5-3pm，該涂層包覆 壓電顆粒，涂層連續(xù)均勻。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓電陶瓷顆粒增強(qiáng)高阻尼鋁基復(fù)合材料，其特征 是，所述的由導(dǎo)體、絕緣體或?qū)w、半導(dǎo)體構(gòu)成的雙涂層，其中導(dǎo)體層在內(nèi)，絕 緣體層或半導(dǎo)體層在外。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的壓電陶瓷顆粒增強(qiáng)高阻尼鋁基復(fù)合材料，其特征 是，所述的導(dǎo)體層厚度為0.5-3ym，包覆壓電顆粒，涂層連續(xù)均勻。
6、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的壓電陶瓷顆粒增強(qiáng)高阻尼鋁基復(fù)合材料，其特征 是，所述的絕緣體層或半導(dǎo)體層厚度為0.5-3um，包覆導(dǎo)體層，涂層連續(xù)均勻。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的壓電陶瓷顆粒增強(qiáng)高阻尼鋁基復(fù)合材料，其 特征是，所述覆蓋涂層的壓電顆粒均勻分布于基體鋁合金中，界面干凈。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種復(fù)合材料技術(shù)領(lǐng)域的壓電陶瓷顆粒增強(qiáng)高阻尼鋁基復(fù)合材料。所述復(fù)合材料由基體鋁合金和覆蓋涂層的壓電顆粒組成，覆蓋涂層的壓電顆粒體積百分比為20-60％，鋁合金為余量。覆蓋涂層的壓電顆粒均勻分布于基體中，覆蓋壓電顆粒的涂層為由絕緣體或半導(dǎo)體構(gòu)成的單涂層和由導(dǎo)體、絕緣體或?qū)w、半導(dǎo)體構(gòu)成的雙涂層中的一種。本發(fā)明在鋁基復(fù)合材料中引入了壓電陶瓷顆粒，并且實(shí)現(xiàn)基于壓電效應(yīng)的新型高值阻尼機(jī)制—壓電阻尼—機(jī)械能通過壓電效應(yīng)轉(zhuǎn)化為電能，而電能通過壓電顆粒外涂層構(gòu)成的電阻回路轉(zhuǎn)化為熱能，最終熱能耗散于外部環(huán)境中，最終所制備的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)致密，阻尼性能優(yōu)異。
文檔編號(hào)C22C1/10GK101403061SQ200810202648
公開日2009年4月8日 申請(qǐng)日期2008年11月13日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月13日
發(fā)明者王浩偉, 巍 翁, 馬乃恒 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)