一種高阻尼復(fù)合材料的制作方法
【專利摘要】一種高阻尼復(fù)合材料，本發(fā)明涉及一種阻尼復(fù)合材料，它解決現(xiàn)有阻尼復(fù)合材料的密度大和阻尼峰值低的問題。此高阻尼復(fù)合材料由TiNi合金纖維與基體金屬復(fù)合制成，其中基體金屬為鋁、鋁合金或鎂合金，TiNi合金纖維在高阻尼復(fù)合材料中的體積分?jǐn)?shù)為30%～60%。該高阻尼復(fù)合材料可以選用不同相變溫度的TiNi合金纖維作為增強體，制備在-100℃到120℃溫度范圍內(nèi)具有高阻尼特性的復(fù)合材料。本發(fā)明高阻尼復(fù)合材料的密度較小，當(dāng)由相變溫度為70℃的TiNi合金纖維與1060Al復(fù)合得到的高阻尼復(fù)合材料的阻尼峰值能夠達到0.04。本發(fā)明可以應(yīng)用于航空航天精密構(gòu)件的支撐平臺等結(jié)構(gòu)。
【專利說明】一種高阻尼復(fù)合材料
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及一種阻尼復(fù)合材料。
【背景技術(shù)】
[0002]應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域的高精密設(shè)備和儀器不斷集成化和輕量化，對材料的阻尼性能提出了更高的要求。如航天遙感衛(wèi)星服役過程中，由于時刻受到星上活動部件如動量輪轉(zhuǎn)動、太陽翼步進，以及空間環(huán)境包括太陽風(fēng)擾動、地球引力場變化等的影響，衛(wèi)星會發(fā)生微振動。這種微振動能量小，頻帶寬，姿態(tài)控制系統(tǒng)很難測控，而且會引起組成空間相機結(jié)構(gòu)和光學(xué)系統(tǒng)的各個零件內(nèi)部的微變形或者相互之間的微位移，影響成像品質(zhì)。這一問題隨著航天遙感向著更高分辨率的發(fā)展而日趨凸顯，成為高分辨率光學(xué)遙感領(lǐng)域必須解決的關(guān)鍵技術(shù)問題。采用傳統(tǒng)的減振結(jié)構(gòu)易引起設(shè)備結(jié)構(gòu)進一步復(fù)雜，不利于高精密設(shè)備和儀器的集成化和小型化，采用高阻尼合金可有效解決這一問題。而常用的阻尼合金如灰口鑄鐵、MnCu合金、FeCr合金，雖然在航海和汽車工業(yè)獲得一些應(yīng)用，但由于存在密度大，比強度低以及耐熱性差等缺陷，難以滿足航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用。同時，由于外部工作環(huán)境的差異，需要在特定溫度下具有高阻尼特性。因此，研發(fā)一種同時具有密度小和優(yōu)良阻尼性能的結(jié)構(gòu)功能一體化高阻尼材料，對軍用和民用航空航天領(lǐng)域均具有重大意義。
[0003]高阻尼是指材料在振動過程中由于內(nèi)部原因引起外部機械能快速消耗的特殊性能。不同金屬阻尼材料的阻尼機制有所不同，目前采用的阻尼材料按其阻尼機制不同主要包括:位錯型，如鎂合金，其阻尼性能優(yōu)良，但強度偏低、耐腐蝕性較差；孿晶型，如Mn-Cu系合金，同時具有優(yōu)良的阻尼性能和較高的強度，但大多含有色金屬，加工和生產(chǎn)成本較高；鐵磁型，如Fe-Cr系合金，具有良好的阻尼性能和高的使用溫度，但是其阻尼性能容易受到磁場的影響；超塑性型，如Zn-Al合金，具有阻尼性能良好、加工方便及成本低廉的特點，但其強度較低，抗腐蝕性能也較差；復(fù)相型，如灰口鑄鐵，其阻尼性能隨應(yīng)變幅度的增大而提高，但其密度較大。
[0004]在金屬基體中加入增強相制成復(fù)合材料能使材料同時具有較好的阻尼性能和較強的力學(xué)性能。在制備復(fù)合材料中一般選擇顆粒、晶須和纖維作為增強相。與顆?；蚓ы毾啾?，連續(xù)纖維可以較大程度地提高復(fù)合材料的阻尼。目前研究較多的阻尼金屬基復(fù)合材料主要是Mg基阻尼復(fù)合材料和Al基阻尼復(fù)合材料。[0005]目前有關(guān)于采用TiNi形狀記憶合金制備金屬基復(fù)合材料的報道，主要關(guān)注的是復(fù)合材料的制備工藝和力學(xué)性能。陳軍等人在2001年《鈦工業(yè)進展》中的“N1-Ti形狀記憶合金強化的鈦基和鋁基復(fù)合材料”記載了使用真空熱壓，熱擠壓和火花等離子燒結(jié)分別制備了 Ti5a3Ni合金短纖維和連續(xù)纖維強化的6061A1基復(fù)合材料。張小明等人在2001年《稀有金屬快報》中的“電脈沖燒結(jié)法制備形狀記憶合金顆粒彌散鐵基復(fù)合材料”采用電脈沖燒結(jié)法成功制備了 TiNi形狀記憶合金粒子彌散鋼基復(fù)合材料，選擇Ti5tlNi5tl等原子比形狀記憶合金粉和SCM435鋼粉，記憶合金粉含量為Ivol %，球磨混合均勻采用電脈沖燒結(jié)裝置燒結(jié)。啟明等人在2006年《金屬功能材料》中“TiNi形狀記憶合金絲增強鎂合金基復(fù)合材料”采用脈沖通電熱壓燒結(jié)裝置在傳統(tǒng)碳模中制取了質(zhì)量良好的TiNi形狀記憶合金絲鎂基復(fù)合材料。Xie 等人在 2007 年《Journal of Engineering Materials and Technology))中“Development of short fiber-reinforced NiTi/A16061Composite，，研究發(fā)現(xiàn)隨著 TiNi合金預(yù)應(yīng)變加大，復(fù)合材料的強度增加，且隨著溫度的上升，復(fù)合材料的強度也會增加。但已有的報道表明，制備成功的TiNi合金金屬復(fù)合材料均采用單一相變的形狀記憶合金作為增強體，且體積分?jǐn)?shù)較低，不具備阻尼性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明目的是為了解決現(xiàn)有阻尼復(fù)合材料的密度大和阻尼峰值低的問題，而提供一種在特定溫度范圍內(nèi)實現(xiàn)高阻尼特性的復(fù)合材料。
[0007]本發(fā)明高阻尼復(fù)合材料由TiNi合金纖維與基體金屬復(fù)合制成，其中基體金屬為鋁、鋁合金或鎂合金，TiNi合金纖維在高阻尼復(fù)合材料中的體積分?jǐn)?shù)為30%~60%。
[0008]本發(fā)明高阻尼復(fù)合材料通過壓力浸滲法或粉末冶金法制備得到，壓力浸滲法是將預(yù)成型件與熔融合金浸滲，再冷卻，脫模，經(jīng)機械加工除去模具得到復(fù)合材料。而粉末冶金法將預(yù)成型件在高溫高壓下燒結(jié)，制備得到復(fù)合材料。
[0009]本發(fā)明發(fā)現(xiàn)TiNi合金具有在某個溫度下阻尼性能急劇上升的特性，這是由于在這個溫度下發(fā)生相變的結(jié)果，根據(jù)TiNi合金成分的不同，可以在一定溫度范圍內(nèi)任意調(diào)整合金的相變溫度點。因此，將TiNi合金與輕合金制成復(fù)合材料，進而設(shè)計出在某個溫度范圍內(nèi)具有聞阻尼特性的復(fù)合材料。
[0010]本發(fā)明的高阻尼復(fù)合材料具有在某個溫度范圍內(nèi)沿纖維排布方向上具有高阻尼特性。通過合理的選擇TiNi形狀記憶合金的成分，復(fù)合材料的高阻尼特性可以在-100°c到120°C溫度區(qū)間內(nèi)調(diào)整。高阻尼復(fù)合材料的密度較小，由相變溫度為70°C的TiNi合金纖維與1060A1復(fù)合得到的高阻尼復(fù)合材料的阻尼峰值能夠達到0.04。本發(fā)明的高阻尼復(fù)合材料可以應(yīng)用于航空航天精密構(gòu)件的支撐平臺等結(jié)構(gòu)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]圖1為實施例一和實施例二的高阻尼復(fù)合材料在室溫到300°C溫度區(qū)間內(nèi)的阻尼-溫度譜圖，其中代表實施例一的高阻尼復(fù)合材料，?代表實施例二的高阻尼復(fù)合材料。
【具體實施方式】
[0012]【具體實施方式】一:本實施方式高阻尼復(fù)合材料由TiNi合金纖維與基體金屬復(fù)合制成，其中基體金屬為鋁、鋁合金或鎂合金，TiNi合金纖維在高阻尼復(fù)合材料中的體積分?jǐn)?shù)為 30% ~60%ο
[0013]本實施方式的高阻尼復(fù)合材料由TiNi合金纖維與輕合金(鋁合金或鎂合金)復(fù)合而成，TiNi合金在一定溫度下會發(fā)生馬氏體向奧氏體相變，從而產(chǎn)生高阻尼特性，選用不同相變溫度的TiNi合金纖維作為增強體，可以制備在特定溫度下具有高阻尼特性的復(fù)合材料。
[0014]【具體實施方式】二:本實施方式與【具體實施方式】一不同的是TiNi合金纖維的直徑為0.1~1mm。其它與【具體實施方式】一相同。
[0015]【具體實施方式】三:本實施方式與【具體實施方式】一或二不同的是TiNi合金纖維中的Ni原子比例為48%~52%。其它與【具體實施方式】一或二相同。
[0016]【具體實施方式】四:本實施方式與【具體實施方式】一至三之一不同的是TiNi合金纖維由多種相變溫度不同的TiNi合金纖維混合。其它與【具體實施方式】一至三之一相同。
[0017]本實施方式TiNi合金纖維是在-100°C到100°C范圍內(nèi)選擇幾種相變溫度不同的TiNi纖維按任意比混合而成。
[0018]【具體實施方式】五:本實施方式與【具體實施方式】一至四之一不同的是基體金屬中的鋁合金為1060A1或6061A1。其它與【具體實施方式】一至四之一相同。
[0019]【具體實施方式】六:本實施方式與【具體實施方式】一至五之一不同的是基體金屬中的鎂合金為AZ31或AZ91。其它與【具體實施方式】一至五之一相同。
[0020]實施例一:本實施例高阻尼復(fù)合材料由TiNi5a3合金纖維與1060A1復(fù)合制成，TiNi50.3合金纖維在高阻尼復(fù)合材料中的體積分?jǐn)?shù)為50%。
[0021]本實施例中TiNi5a3合金纖維的相變溫度為70°C，TiNi5a3合金纖維的直徑為0.1mm，TiNi合金纖維與1060A1復(fù)合制備單向復(fù)合材料板。高阻尼復(fù)合材料在纖維方向上的密度為4.14g/cm3。
[0022]本實施例的高阻尼復(fù)合材料采用壓力浸滲法制備，制備方法是先通過模具將TiNi合金纖維鋪設(shè)固定，制成預(yù)成型件；將預(yù)成型件在600°C下預(yù)熱2小時后倒入熔融合金浸滲成復(fù)合材料；冷卻脫模后采用機械加工除去模具，然后對復(fù)合材料進行均勻化處理I小時，得到高阻尼復(fù)合材料。
[0023]實施例二:本實施例高阻尼復(fù)合材料由TiNi48合金纖維與1060A1復(fù)合制成。其它與實施例一相同。
[0024]本實施例TiNi48合金纖維的相變溫度為100°C。
[0025]實施例一和實施例二得到的高阻尼復(fù)合材料的阻尼-溫度譜如圖1所示，從圖中可知兩種高阻尼復(fù)合材料在90°C和120°C溫度時復(fù)合材料出現(xiàn)阻尼峰，阻尼峰值分別為
0.04 和 0.035。
[0026]實施例三:本實施例高阻尼復(fù)合材料由TiNi5tl合金纖維、TiNi5a6合金纖維與AZ91鎂合金復(fù)合制成，TiNi5tl合金纖維和TiNi5tl.6合金纖維在高阻尼復(fù)合材料中的體積分?jǐn)?shù)總和為60%，其中TiNi5a6合金纖維和TiNi5tl合金纖維的體積分?jǐn)?shù)比為1:4。
[0027]本實施例中TiNi5tl合金纖維的相變溫度為100°C，TiNi5a6合金纖維的相變溫度為50°C, TiNi合金纖維的直徑為0.1mm。
[0028]本實施例TiNi合金纖維的排布是將兩種相變溫度不同的合金纖維逐層疊放，每層合金纖維相對于下層的合金纖維傾斜45度，即將TiNi合金纖維置于石墨胎具中按照0-45-90度的角度多層鋪設(shè)，采用粉末冶金法形成厚度為3mm的復(fù)合材料板，該高阻尼復(fù)合材料的密度為4.05g/cm3。粉末冶金法是先通過模具將TiNi合金纖維鋪設(shè)固定，再加入基體鎂合金粉末，壓實后制成預(yù)成型件；再將預(yù)成型件在400°C，50Mpa的條件下保壓I小時制備成復(fù)合材料；冷卻脫模后采用機械加工除去模具，取出得到高阻尼復(fù)合材料。
[0029]本實施例所得的高阻尼復(fù)合材料在70°C和120°C溫度時在平板的各個方向上出現(xiàn)阻尼峰，阻尼峰值分別為0.02和0.025。[0030]實施例四:本實施例高阻尼復(fù)合材料由TiNi52合金纖維與AZ31鎂合金復(fù)合制成，TiNi52合金纖維在高阻尼復(fù)合材料中的體積分?jǐn)?shù)為30%。
[0031]本實施例中TiNi52合金纖維的相變溫度為_100°C，合金纖維的直徑為0.5mm。
[0032]本實施例TiNi合金纖維的排布是將TiNi合金纖維等間距排布，間距為0.15mm，放入模具型腔中采用與實施例三相同的粉末冶金法形成厚度為3mm的復(fù)合材料板，該高阻尼復(fù)合材料的密度為2.9g/cm3。
[0033]本實施例的高阻尼復(fù)合材料厚板在_100°C出現(xiàn)阻尼峰值，阻尼峰值為0.02。
[0034]實施例五:本實施例高阻尼復(fù)合材料由TiNi5a9合金纖維與6061鋁合金復(fù)合制成，TiNi5a9合金纖維在高阻尼復(fù)合材料中的體積分?jǐn)?shù)為40%。
[0035]本實施例中TiNi5a9合金纖維的相變溫度為25°C，合金纖維的直徑為1mm。
[0036]本實施例借助胎具將TiNi合金纖維單向等間距排布成厚板預(yù)成型件，間距為
0.2mm。采用無壓浸滲的方法制備成復(fù)合材料板。即先通過模具將TiNi合金纖維鋪設(shè)固定，制成預(yù)成型件；將預(yù)成型件與鋁合金在真空 環(huán)境下加熱至鋁合金熔化，熔融鋁合金在重力作用下與預(yù)成型件浸滲成復(fù)合材料；冷卻脫模后采用機械加工除去模具，取出得到高阻尼復(fù)合材料。該高阻尼復(fù)合材料的密度為3.86g/cm3。
[0037]本實施例的高阻尼復(fù)合材料厚板在30°C出現(xiàn)阻尼峰值，阻尼峰值為0.03。
[0038]實施例六:本實施例高阻尼復(fù)合材料由TiNi5a6合金纖維、TiNi5a3合金纖維、TiNi50合金纖維與606IAl復(fù)合制成，TiNi5a6合金纖維、TiNi5a 3合金纖維和TiNi5tl合金纖維在高阻尼復(fù)合材料中的體積分?jǐn)?shù)總和為50%，其中TiNi50.6合金纖維、TiNi5tl.3合金纖維和TiNi5tl合金纖維的體積分?jǐn)?shù)比為1:2:2。
[0039]本實施例中TiNi5a6合金纖維的相變溫度為50°C，TiNi5a3合金纖維的相變溫度為70°C, TiNi50合金纖維的相變溫度為100°C，各合金纖維的直徑為0.2mm。
[0040]本實施例TiNi合金纖維的排布是將合金纖維按照不同相變溫度分層排布的，外層排布相變溫度為100°c的TiNi合金纖維，中間排布相變溫度為70°C的TiNi合金纖維，內(nèi)層排布相變溫度為50°C的TiNi合金纖維，然后采用與實施例一相同的壓力浸滲法得到厚度為3mm的復(fù)合材料板。該高阻尼復(fù)合材料的密度為4.15g/cm3。
[0041]本實施例的高阻尼復(fù)合材料厚板在50°C~100°C較寬溫度范圍下的阻尼值為
0.015。
【權(quán)利要求】
1.一種高阻尼復(fù)合材料，其特征在于高阻尼復(fù)合材料由TiNi合金纖維與基體金屬復(fù)合制成，其中基體金屬為鋁、鋁合金或鎂合金，TiNi合金纖維在高阻尼復(fù)合材料中的體積分?jǐn)?shù)為30%~60%。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高阻尼復(fù)合材料，其特征在于TiNi合金纖維的直徑為0.1 ~Imm0
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高阻尼復(fù)合材料，其特征在于TiNi合金纖維中的Ni原子比例范圍為48%~52%。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高阻尼復(fù)合材料，其特征在于TiNi合金纖維由多種相變溫度不同的TiNi合金纖維混合。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高阻尼復(fù)合材料，其特征在于基體金屬中的鋁合金為1060A1 或606IAl。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高阻尼復(fù)合材料，其特征在于基體金屬中的鎂合金為AZ31 或 AZ91。`
【文檔編號】C22C49/14GK103710650SQ201410015968
【公開日】2014年4月9日 申請日期:2014年1月14日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月14日
【發(fā)明者】武高輝, 胡杰, 張強, 姜龍濤 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)