Mg/Al、Mg/粘弹材料复合板的制备及力学和阻尼性能研究

发布时间：2016-07-15 08:59

1   绪   论  

1.1  课题背景及意义 
随着国民经济的迅猛发展，在航空航天、军工武器装备和轨道交通等领域发展日益轻量化、高速化和大功率化的过程中，由此引起的振动和噪声污染变得尤为突出。振动和噪声可以对人的听力和神经系统产生危害，长期处于振动和噪声环境中还能引发各种疾病。宽频带的随机振动还容易引起仪器设备的多级共振，不仅影响仪器设备的正常使用，降低精度和可靠性，还会缩短其使用寿命。据统计，火箭、卫星失效约 2/3 的故障与振动和噪声有关[1]，武器装备由于振动造成的故障率也高达 10％以上[2-4]。此外，在军事领域中，隐蔽性是武器装备的头等大事，而振动和噪声无疑会对其隐蔽性产生巨大影响。因此，减振降噪技术成为各国学者的研究热点，受到广泛关注。比如在民用工业中，车辆的 NVH（Noise、Vibration、Harshness）水平关系到车辆行驶过程中的稳定性、安全性以及乘客乘坐的舒适度，是评价车辆性能优劣的重要指标。各汽车制造企业有接近 20%的研发费用用于改善车辆的 NVH 水平，使之成为企业重点关注问题之一。对振动和噪声的有效治理，主要是从减小振源的振动以及抑制振动、噪声的传播这两方面入手，包括以下常见措施：(1)在系统中安装减振设备（比如减振弹簧、阻尼器）来达到减振降噪的目的。(2)改变结构的刚度和质量，使设备的工作频率避开其固有频率，防止发生共振，从而减小振动的响应。(3)利用阻尼材料吸收、消耗能量的特点，将阻尼材料和结构相结合，从而减小结构的振动。(4)改变结构的连接形式，将刚性连接转变为弹性连接，抑制振动的传递。其中由于阻尼材料形状可控，使用方便、灵活，效果明显，使得阻尼材料的应用成为减振降噪的重要手段之一。 
.........

1.2  金属复合板的研究进展 
金属复合板是利用复合技术将两种或多种性能不同的金属材料结合在一起而获得的。这种金属复合板的性能并不只是组元材料性能的简单叠加，而是由于复合效应的作用在性能上有重要的改进，并且具有轻质的优点，因此已广泛应用于航空航天、轨道交通和 3C 等各个领域。金属复合板的制备方法有许多种，比如爆炸复合法、挤压复合法、扩散焊接复合、铸轧复合法、反向凝固法和喷射成形法等[14-20]。其中，1956 年美国率先提出金属层压复合的三步工艺，即：表面处理——轧制复合——退火强化处理，使得双金属固相复合得到了迅速发展[21]。首先对金属板进行表面处理，去除金属表面氧化皮并清理油污、油脂，露出洁净金属表面。然后轧制复合法中，在轧辊强大作用力下，金属表面发生剧烈塑性变形而破裂，内部洁净而活化的新鲜金属因此露出表面，在强大压力作用下，形成初始结合。最后在随后的退火过程中，由最初的点接触扩展到面接触，最终形成稳定的界面结合。金属键理论是 Burton M.S.在 1954 年提出的[23]。该理论认为，金属间能形成有效结合的要求是两种金属的原子足够接近，并且达到原子之间的相互吸引能发挥作用的程度。当两种金属原子由远及近时，它们之间的吸引力会逐渐增大，并当两原子间距约是正常原子间距两倍时，吸引力达到最大值。当两原子继续靠近时，吸引力开始减小，直到达到正常间距时，此时的吸引力为零，如图 1.2 所示。相邻原子稳定排列，并且外层的自由电子则被不同原子所共有从而形成共用电子，金属就以金属键的形式结合在一起。  
............

2   实验材料与研究方法  

2.1 Al/Mg/Al 三明治结构复合板的制备

Al/Mg/Al 三明治结构复合板所用的原材料为商业铸态纯镁锭、商业 1060 纯铝板材。铸态纯镁具有优异的阻尼性能，并且纯铝板材具有良好的耐腐蚀性和极好的塑性，在纯镁外表面包覆一层纯铝，不仅可以克服纯镁耐腐蚀性差的缺点，还可以防止在轧制复合过程中纯镁出现轧裂、轧断的现象。初始纯镁板材和纯铝板材的长宽均为 80mm×70mm，纯镁板厚度包括 2mm、3mm 和 3.6mm，纯铝板厚度包括 2mm、1.5mm 和 1.2mm，在保持 Al/Mg/Al 初始总厚度不变的前提下，改变其中单层纯镁层、纯铝层的厚度，设计了三种不同的 Al/Mg/Al 三明治结构复合板，，如表 2.1 所示。首先用钢刷对初始纯铝板材和纯镁板材进行打磨处理，去除掉金属表面的氧化皮，露出新鲜表面，再用 120#、240#、320#、400#SiC 砂纸对纯铝板材和纯镁板材进行均匀打磨，用无水乙醇清洗，烘干。然后将表面处理好的纯铝板材、纯镁板材按照 Al/Mg/Al 的顺序叠放，并且为了便于复合板在轧制时入辊，以及防止在轧制过程中纯铝板材和纯镁板材之间发生相对错位，对叠放好后的板材一边两角位置用铝制铆钉进行铆接处理，在轧制过程中，铆接固定的一边优先进入轧辊。将铆接好的板材在 400℃下保温 20min 后，采用单道次 55%的压下量，将 6mm 的板材轧成 2.7mm 的 Al/Mg/Al 三明治结构复合板。轧制复合后的三种 Al/Mg/Al 复合板宏观形貌，如图 2.1 所示，复合板只有边部有少量开裂。 

...........

2.2 Mg/玻璃纤维增强环氧树脂复合板的制备
在传统的纤维增强金属复合板中，从材料的成分来分，可分为纤维增强钢板层合板和纤维增强铝合金层合板，从功能来分，可分为减振板和轻质板[50]，如图2.2 所示。以减振为目的时，中间的弹性层可以较薄，而金属板较厚；以减重为目的时，中间的弹性层较厚，而金属板较薄。与此同时，镁不仅是阻尼性能最好的金属结构材料之一，还具有质量轻的优点，其密度只有铝的 2/3、钢的 1/4。将金属板材料选用镁后，不管在减振还是减重上，都能继续发挥出镁的优势。因此，在本实验中，金属层材料选用商业铸态纯镁锭，并将其加工成长宽 110mm×90mm，厚度 1.5mm、2mm 和 2.5mm 的板材。  树脂在纤维增强金属层合板中占据着非常关键的作用。它可以把金属板和增强纤维粘接起来，在复合板中起着传递载荷的作用。本实验中采用双酚 A 型 760E 环氧树脂，这是一种热固性树脂，具有较好的粘接性以及适中的强度，在工业生产中的应用较为广泛。而与之相匹配的固化剂为 766H，密度为 0.94g/cm3，粘度14MPa.s(室温)。 
.........

3   Al/Mg/Al 复合板的力学和阻尼性能研究 ...... 17 
3.1  引言 ........... 17 
3.2 Al/Mg/Al 复合板的显微组织和室温力学性能 .......... 17 
3.3Al/Mg/Al 复合板的阻尼性能及振动性能 ........... 21
3.4.1  退火处理对 Al/Mg/Al 复合板界面的影响 .......... 26 
3.4.2  退火处理对 Al/Mg/Al 复合板力学性能的影响 .... 30 
3.5  退火处理对 Al/Mg/Al 复合板阻尼性能的影响 ...... 31
3.6  本章小结 ..... 48 
4   Mg/玻璃纤维增强环氧树脂复合板的力学和阻尼性能研究 ............ 49 
4.1  引言 ........... 49 
4.2  纤维层数对 Mg/玻璃纤维增强环氧树脂复合板性能的影响 .......... 49
4.3  镁板厚度对 Mg/玻璃纤维增强环氧树脂复合板性能的影响 .......... 55
4.4  本章小结 ..... 59
5   结论 ........... 61 

4   Mg/玻璃纤维增强环氧树脂复合板的力学和阻尼性能研究 

4.1  引言 
在传统的纤维金属层合板中，金属层多选用钢板或铝板，复合板的阻尼性能主要来自于树脂材料，纤维-树脂和树脂-金属的界面阻尼以及这种复合结构的结构阻尼，而来自金属层的很少。镁作为阻尼性能最好的金属结构材料之一，当金属层选用 Mg 板，制备出 Mg/玻璃纤维增强环氧树脂复合板后，则来自金属层的阻尼增多，阻尼来源发生了变化，势必会对复合板的阻尼性能产生影响。同时 Mg/玻璃纤维增强环氧树脂复合板也是将金属材料阻尼和高分子材料阻尼相结合，希望得到阻尼减振性能优异的复合板。 综上所述，本章主要通过真空灌注法制备得到 Mg/玻璃纤维增强环氧树脂复合板，并通过改变复合板中玻璃纤维布层数以及 Mg 板厚度，研究其对复合板力学性能、阻尼性能以及振动性能的影响。为了讨论纤维层数对 Mg/玻璃纤维增强环氧树脂复合板性能的影响，在保证Mg 板厚度不变的前提下，改变环氧树脂层中玻璃纤维布的层数，设计成环氧树脂层中没有玻璃纤维布，有 1 层、2 层玻璃纤维布。不同 Mg/玻璃纤维增强环氧树脂复合板的命名如表 4.1 所示。
..........

结论

本文主要针对两种镁基复合板，即 Al/Mg/Al 三明治结构复合板和 Mg/玻璃纤维增强环氧树脂复合板，进行深入研究。探索各因素对复合板力学性能、阻尼性能以及振动性能的影响。得出以下结论： 
①  对在 400℃保温 20min 后单道次轧制压下量 55%，得到的由不同初始厚度纯 Al、纯 Mg 板制备而成的 Al/Mg/Al 三明治结构复合板，其界面结合良好。轧制态 Al/Mg/Al 复合板的室温阻尼性能介于其单层纯 Mg、纯 Al 的阻尼性能之间，并且主要受其中 Mg 层的影响，复合板的阻尼性能保留了纯 Mg 高阻尼的特性。此时，界面效应对复合板的室温阻尼性能是有利的。Al/Mg/Al 复合板的高温阻尼性能则主要受其中 Al 层的影响。 
②  Al/Mg/Al 复合板的最佳退火工艺确定为 250℃退火 2h。并在 250℃退火 2h后，Al/Mg/Al 复合板的屈服强度、抗拉强度下降，延伸率则提高，并且 Mg 层、Al 层相对含量对复合板的力学性能有较大影响。 
③  Al/Mg/Al 复合板的室温阻尼性能和退火时间以及退火温度有较大关系。复合板的室温阻尼性能受到单层组元阻尼性能以及界面效应的双重影响。并且随着退火时间的延长、退火温度的升高，界面效应对复合板的阻尼性能发生由不利到有利的转变。 
④  增强玻璃纤维对 Mg/玻璃纤维增强环氧树脂复合板的力学性能有较大影响，并且增加玻璃纤维布层数能明显提高复合板的屈服强度。而增加 Mg 板厚度会使复合板的屈服强度和抗拉强度有所下降，延伸率略有提高。相比玻璃纤维，Mg板厚度对复合板的力学性能影响较小。 
.........
参考文献(略)

本文编号：71469