专利名称：一种抗震复合材料及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种抗震复合材料，尤其涉及应用于建筑领域和行走机械方面的一种抗震复合材料。本发明还涉及制造该种抗震复合材料的方法。
背景技术：
目前对用于建筑结构的材料需要很高的强度和刚度，地震力对建筑物的破坏会随建筑结构的承载力和刚度的提高而提高。从抗震工程的角度来说对建筑结构的材料要求是高刚度、高强度和高弹塑性，刚度和弹塑性这是一对矛盾因素，现有的建筑结构材料强度和刚度高的，但弹性、塑性低了，弹性、塑性高的结构材料强度和刚度又达不到要求，传统的建筑结构材料无法解决这是一矛盾，这就是从抗震工程的角度来说传统的建筑结构材料存在的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种抗震复合材料，尤其是提供一种将高钢度与高强度的16锰钢和具有减振性能的材料复合在一起的一种抗震复合材料；本发明还提供了制造该抗震复合材料的方法。
参阅图1、图3至图7，为解决上述的技术问题，本发明是采用如下技术方案实现提供一种抗震复合材料的，其特征在于由间隔接触排布的钢构件和具有减振性能的构件组成，两种构件之间的数量关系可以是相同，也可以是钢构件的数量比具有减振性能的构件的数量多1；两种构件界面牢固结合，受力变形时无相对滑动。
按照技术方案所提供的一种抗震复合材料，其特征在于所述的钢构件可以是钢板构件、圆筒构件或者是方管构件。
按照技术方案所提供的一种抗震复合材料，其特征在于所述钢构件的材质是16锰钢，其组分含量按重量百分比计为Fe.余量、C.0.17、Si.0.5、Mn.1.57、S.0.05、P.0.045。
按照技术方案所提供的一种抗震复合材料，其特征在于所述的具有减振性能的构件采用的材质可以是金属镁、铝或锌；也可以是铝基石墨或铝基电厂飞灰复合材料。
按照技术方案所提供的一种抗震复合材料，其特征在于所述具有减振性能的构件采用的材质是镁、铝、锌、铝基石墨或铝基电厂飞灰复合材料，其组分含量按重量百分比计分别为镁.Al.2.5、Zn.0.60、Mn.0.20、Si.0.10、Fe.0.002、Cu.0.001、Ni.0.001、Mg.余量；铝.Fe.0.07、Si.4.0、Cu.3.0、Mn.0.5、Mg.0.25、Ni.0.3、Zn.0.55、Sn.0.05、Ti.0.20、Pb.0.15、Cr.0.15、Al.余量；锌.Pb.0.003、Fe.0.001、Cd.0.001、Cu.0.001、Zn.余量；
铝基石墨.Al.92.0、C.8.0，石墨颗粒尺寸为300～500μm、碳含量为96％～99％、其余为灰分；铝基电厂飞灰复合材料.Al.90.0、电厂飞灰.10.0。其中电厂飞灰颗粒的组成为Na2O.1.04、Al2O3.21.95、SiO2.70.18、K2O.2.43、CaO.0.90、TiO2.0.75、Fe2O3.2.75。
本发明还提供了制造该种抗震复合材料的方法，其特征是包括下列的步骤1)钢构件预先处理(1)机械除锈用砂纸打磨钢构件的表面，去除表面的铁锈以及其他杂物；(2)碱洗除油在温度为50℃的条件下将钢构件浸入7％的氢氧化钠溶液中，在50℃温度下保持10分钟，即可将钢构件表面的附着油污处理干净；(3)热水冲洗用70℃热水冲洗钢构件表面，去除残留在钢构件表面的氢氧化钠溶液以及氢氧化钠溶液溶解的其他杂质；(4)酸洗为了确保钢构件表面的氢氧化钠溶液清洗干净，将钢构件浸入20克/升的硫酸溶液中，在50℃温度下保持10分钟；(5)热水冲洗用70℃热水冲洗钢构件表面，去除残留在钢构件表面的硫酸溶液及硫酸溶液溶解的其他杂质；(6)熔剂处理处理后的钢构件表面涂上一层70克/升的氯化铵熔剂，在60℃温度下保持10分钟，其作用是防止酸洗后的钢构件在空气中被氧化而产生新的氧化层，以提高具有减震性能的材料对钢构件的附着力；(7)烘干在200℃温度下保持10分钟将钢构件烘干；2)焊接钢构件成箱形模型按照欲制抗震复合材料中钢构件之间的间距排布预先处理过的钢构件，再用一些辅助构件将其焊接成箱形模型；3)将焊接成箱形模型的钢构件加热到250℃后保持温度不变，然后用铸造法将熔解的具有减振性能的材料液浇入箱形模型中，在空气中冷却成型。
本发明的有益效果是本发明解决了传统材料不能提供同时具有高刚度和高弹塑性材料的问题。结构通过一些反复循环的弹性或非弹性变形且强度和刚度没有大的退化的能力，这种特性称为结构的延性。弹性和非弹性变形中消耗的能量称为结构的耗能，它可由滞回曲线的面积来度量。结构的延性和耗能是结构减震设计的两项重要指标。因此，我们根据这两项重要指标设计抗震复合材料，将主结构为高刚度的钢材料和具有耗能性能的材料复合在一起，形成刚度大、减震好的结构复合材料。在振动能量传播过程中，利用耗能性能好的阻尼材料的能量衰减特性，使建筑结构材料在工作应力达到钢材料的屈服点以前，把震动能量消耗在部分构件当中或构件的部分材料中，达到在主结构弹性状态下减震目的。
设计工作的基本方法是建立材料弹塑性变形的理论模型，进行复合结构材料的刚度和阻尼性能的整体优化分析。建立合理的截面形状和比例。在界面设计阶段主要考虑两种材料及其宏观界面上的阻尼特性对减震性能的影响。在设计抗震复合材料时只有合理的取舍钢构件和具有减震性能的构件的刚度和强度以及其阻尼性能，才能够使抗震复合材料在结构材料领域得到合理的应用。这可以通过抗震复合材料制备时控制结构材料各种组成的体积百分比或者层状厚度比来实现。因此该种抗震复合材料的设计是简单的。
在同样的地震荷载的作用下，传统结构材料与该种抗震复合材料破坏情况不同。建筑结构实际震害往往是建筑结构刚度大的破坏严重，而刚度相对较小的建筑结构则破坏比较轻微，这里除了建筑结构在强度方面设计上存在的差异之外，主要是由于建筑结构的刚度在起关键作用。结构的刚度越大，其吸收地震作用的能力就越大，刚度大的结构，其塑性变形的能力一般比较弱，耗散结构能量的能力也就比较差。所以，每次大的地震作用之后，除了靠阻尼器等途径耗散所吸收的地震作用的能量外，还要通过结构自身的破坏来释放所有的多余能量。而一般刚度相对较小的结构，由于其具有较大的弹塑性变形来释放所吸收的地震能量，因此，这种结构的耐震性能要比刚度大的结构好。而传统结构的抗震，往往是通过单一结构材料自身吸收和耗散地震能量来抵御地震作用的，因而造成的损失也不同，一种抗震复合材料破坏情况比传统结构材料破坏情况好得多，而所造成的损失要小得多。这种复合材料的另外一种优点是将有效的防止结构在压应力和压弯复合应力作用下局部屈服失稳，提高了结构的整体刚度和安全性。
制造一种抗震复合材料的方法采用的是传统的铸造工艺方法，因此该制造方法是简单易掌握。
与传统的建筑结构材料相比，可以更好的满足建筑上大开间，灵活分隔的要求，可以提高使用面积5％-8％左右；钢建筑结构构件及其配套技术相应部件绝大部分可以实现工业化制作；钢建筑结构住宅体系工业化生产程度高，现场湿作业少，其材料本身可再生产利用符合环保建筑的要求。
车辆行驶过程中，一旦发生碰撞将会导致严重变形与破坏，甚至发生二次事故的严重后果，目前所使用的减震办法是在车身前设置保险杠。研制新型的一种抗震复合材料，并把它应用到行走机械上，利用其高阻尼性能在碰撞过程中吸收能量，储存能量，释放能量。使车身在碰撞的瞬间完成以上三个过程。这是借鉴抗地震的一种充分利用材料性能的抗撞方法。
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1是一种抗震复合材料的设计思想示意图；图2是一种抗震复合材料的力学模型示意图；图3是一种抗震复合材料板式结构简图；图4是一种抗震复合材料两层圆柱结构简图；图5是一种抗震复合材料多层圆柱结构简图；图6是一种抗震复合材料两层方柱(梁)结构简图；图7是一种抗震复合材料多层方柱(梁)结构简图；图8是16Mn钢与锌复合材料的受力模型示意图；图9是16Mn钢与锌复合材料衰减方向示意图；图10是一种抗震复合材料拉伸试样；图11是16Mn钢、锌和16Mn钢与锌复合材料拉伸试验曲线；图12(a)、(b)是16Mn钢和16Mn钢与锌复合材料在±0.5％、±1％、±1.5％应变条件下的滞回曲线；图13是采用材质为16Mn钢的钢构件和采用材质为镁、铝、锌、铝基石墨和铝基电厂飞灰复合材料具有减振性能的构件所组成的复合材料在拉压条件下分别形成的滞回曲线；图中1.采用材质为16Mn钢的钢构件，2.采用材质为镁、铝、锌、铝基石墨和铝基电厂飞灰复合材料具有减振性能的构件，3.16Mn钢的拉伸曲线，4.锌的拉伸曲线，5.16Mn钢与锌复合材料的拉伸曲线，6、7.16锰钢与锌复合材料的滞回曲线，8、9.16锰钢与铝复合材料的滞回曲线，10、11.16锰钢与镁复合材料的滞回曲线，12、13.16锰钢与铝基石墨复合材料的滞回曲线，14、15.16锰钢与铝基电厂飞灰复合材料的滞回曲线。
具体实施例方式
将高刚度的金属结构材料和高减振性能的材料组合在一起，形成刚度大，减振性能好的抗震复合结构材料，这种复合结构材料的主要性能特点是总体的粘弹性性质。其基本构想如下外层和内部高刚度构件采用高强度的16锰钢，主要承受静荷载，高刚度构件之间加入具有减振性能的金属材料(如镁，铝，锌)、金属基复合材料(如铝基石墨、铝基电厂飞灰复合材料等)等。如此的组合相当于获得了一种新型的粘弹性复合材料。
服役过程中加在该结构复合材料中的静荷载由复合材料的刚性部分承受，按常规设计，只要截面合理就可以保证结构的静强度，外加荷载中有冲击或者交变荷载的时候，结构中应力波传递过程中发生衰减，应力波形满足开尔文模型，力学模型图参阅图2，其中P为弹性部分，Q为粘性部分。其本构关系为σ＝Ee+ηe
当一恒定大小的应力脉冲作用到此开尔文体上，则上式可以解得e(t)＝σ0[1-exp(-t/ξ)]/E同样，当应力突然去掉时公式变为，e(t)＝e0exp(-t/ξ)在交变荷载作用下，应力在传播过程中逐渐衰减，在低应力，小振幅的情况下，内层材料高阻力特性使整个结构的振动在较短距离内衰减到较低的数值。在高应力大振幅的情况下，内部减振材料提供充分的塑性变形能力，保证结构的整体安全，这种复合材料的另外一种优点是将有效的防止结构在压应力和压弯复合应力作用下局部屈服失稳，提高了结构的整体刚度和安全性。
对于材料的减振性能振动衰减较小时用内耗Q-1和对数衰减率δ来衡量，而振动衰减较大时用具体耗能大小(SpecificDampingCapacity)衡量。钢铁材料的SDC约为1％-3％，镁合金和铝基复合材料可达到10％。本发明把高减振性能和高刚度同时赋予一种复合材料，做到一种材料同时满足两种性能，既节约成本又给设计带来方便。
以下所述实施例详细地说明本发明。
实施例1按设计要求由市场上选择板式、圆筒式和方管式16锰钢材质的钢构件1，参阅图3，板式钢构件1的尺寸为1000mm×100mm×3mm，件数为3件；参阅图4与图5，对两层圆筒式钢构件1的尺寸为D2＝D1/2＝75mm，件数为1件，长度为1米，对多层圆筒式钢构件1的尺寸为d4＝d3/2＝d2/3＝d1/4＝25mm，件数为2件，长度为1米；参阅图6与图7，对两层方管式钢构件1的尺寸为h2＝h1/2＝75mm，长度为1米，对多层方管式钢构件1的尺寸为f4＝f3/2＝f2/3＝f1/4＝25mm，件数为2件，长度为1米；16锰钢的组分含量按重量百分比计为Fe.余量、C.0.17、Si.0.5、Mn.1.57、S.0.05、P.0.045。然后第一步是按下列的步骤对所选的钢构件1进行预先处理(1)机械除锈用砂纸打磨钢构件1的表面，去除表面的铁锈以及其他杂物；(2)碱洗除油在温度为50℃的条件下将钢构件1浸入7％的氢氧化钠溶液中，在50℃温度下保持10分钟，即可将钢构件1表面的附着油污处理干净；
(3)热水冲洗用70℃热水冲洗钢构件1表面，去除残留在钢构件1表面的氢氧化钠溶液以及氢氧化钠溶液溶解的其他杂质；(4)酸洗为了确保钢构件1表面的氢氧化钠溶液清洗干净，将钢构件(1)浸入20克/升的硫酸溶液中，在50℃温度下保持10分钟；(5)热水冲洗用70℃热水冲洗钢构件1表面，去除残留在钢构件1表面的硫酸溶液及硫酸溶液溶解的其他杂质；(6)熔剂处理处理后的钢构件1表面涂上一层70克/升的氯化铵熔剂，在60℃温度下保持10分钟，其作用是防止酸洗后钢构件1在空气中被氧化而产生新氧化层，以提高锌液对钢构件1附着力，降低熔融锌液表面张力，促使钢构件1表面能为熔融锌液所润湿；(7)烘干在200℃温度下保持10分钟将钢构件1烘干；第二步是按照预先设计的抗震复合材料中钢构件1之间的3毫米间距分别排布三种经过预先处理的钢构件1，并用一些辅助构件将其焊接成箱形模型；第三步是将焊接成箱形模型的钢构件1整体加热到250℃后保持温度不变，然后将锌加热到550℃熔解，其组分含量按重量百分比计为Zn.余量、Pb.0.003、Fe.0.001、Cd.0.001、Cu.0.001，用铸造法将锌液浇入箱形模型中，在空气中冷却成型。由钢构件1和材质为锌具有减振性能的构件2间隔接触排布的一种抗震复合材料制成，由于选择了16锰钢和锌，特别是对钢构件1进行了预先处理，其界面是牢固结合，其结构形式可参阅图3、图4、图5、图6和图7。
实施例2按设计要求由市场上选择板式、圆筒式和方管式16锰钢材质的钢构件1，所选各种钢构件的尺寸、件数与在实施例1中选的一样，16锰钢的组分含量按重量百分比计为Fe.余量、C.0.17、Si.0.5、Mn.1.57、S.0.05、P.0.045。然后第一步对所选的钢构件1进行预先处理，该步和实施例1第一步的第(1)至第(7)项相同，第二步和实施例1第二步也相同。
第三步是将焊接成箱形模型的钢构件1整体加热到250℃后保持温度不变，然后将铝加热到660℃熔解，其组分含量按重量百分比计为Al.余量、Fe.0.07、Si.4.0、Cu.3.0、Mn.0.5、Mg.0.25、Ni.0.3、Zn.0.55、Sn.0.05、Ti.0.20、Pb.0.15、Cr.0.15，用铸造法将铝液浇入箱形模型中，在空气中冷却成型。由钢构件1和材质为铝具有减振性能的构件2间隔接触排布的一种抗震复合材料制成，由于选择了16锰钢和铝，特别是对钢构件1进行了预先处理，故其界面是牢固结合，其结构形式可参阅图3、图4、图5、图6和图7。
实施例3按设计要求由市场上选择板式、圆筒式和方管式16锰钢材质的钢构件1，所选各种钢构件的尺寸、件数与在实施例1中选的一样，16锰钢的组分含量按重量百分比计为Fe.余量、C.0.17、Si.0.5、Mn.1.57、S.0.05、P.0.045。然后第一步对所选的钢构件1进行预先处理，该步和实施例1第一步的第(1)至第(7)项相同，第二步和实施例1第二步也相同。
第三步是将焊接成箱形模型的钢构件1整体加热到250℃后保持温度不变，然后将镁加热到650℃熔解，其组分含量按重量百分比计为Mg.余量、Al.2.5、Zn.0.60、Mn.0.20、Si.0.10、Fe.0.002、Cu.0.001、Ni.0.001，用铸造法将镁液浇入箱形模型中，在空气中冷却成型。由钢构件1和材质为镁具有减振性能的构件2间隔接触排布的一种抗震复合材料制成，由于选择了16锰钢和镁，特别是对钢构件1进行了预先处理，故其界面是牢固结合，其结构形式可参阅图3、图4、图5、图6和图7。
实施例4按设计要求由市场上选择板式、圆筒式和方管式16锰钢材质的钢构件1，所选各种钢构件的尺寸、件数与在实施例1中选的一样，16锰钢的组分含量按重量百分比计为Fe.余量、C.0.17、Si.0.5、Mn.1.57、S.0.05、P.0.045。然后第一步对所选的钢构件1进行预先处理，该步和实施例1第一步的第(1)至第(7)项相同，第二步和实施例1第二步也相同。
第三步是将焊接成箱形模型的钢构件1整体加热到250℃后保持温度不变，然后将铝基石墨加热到650℃熔解，其组分含量按重量百分比计为Al.92.0、C.8.0，铝基石墨采用低压渗入法制造，石墨颗粒尺寸为300～500μm、碳含量为96％～99％、其余为灰分，用铸造法将铝基石墨液浇入箱形模型中，在空气中冷却成型。由钢构件1和材质为铝基石墨具有减振性能的构件2间隔接触排布的一种抗震复合材料制成，由于选择了16锰钢和铝基石墨，特别是对钢构件1进行了预先处理，故其界面是牢固结合，其结构形式可参阅图3、图4、图5、图6和图7。
实施例5按设计要求由市场上选择板式、圆筒式和方管式16锰钢材质的钢构件1，所选各种钢构件的尺寸、件数与在实施例1中选的一样，16锰钢的组分含量按重量百分比计为Fe.余量、C.0.17、Si.0.5、Mn.1.57、S.0.05、P.0.045。然后第一步对所选的钢构件1进行预先处理，该步和实施例1第一步的第(1)至第(7)项相同。第二步和实施例1第二步也相同。
第三步是将焊接成箱形模型的钢构件1整体加热到250℃后保持温度不变，然后将铝基电厂飞灰复合材料加热到650℃熔解，其组分含量按重量百分比计为Al.90.0、电厂飞灰.10.0。其中飞灰颗粒的组成为Na2O.1.04、Al2O3.21.95、SiO2.70.18、K2O.2.43、CaO.0.90、TiO2.0.75、Fe2O3.2.75，用铸造法将铝基电厂飞灰复合材料液浇入箱形模型中，在空气中冷却成型。由钢构件1和材质为铝基电厂飞灰复合材料具有减振性能的构件2间隔接触排布的一种抗震复合材料制成，由于选择了16锰钢和铝基电厂飞灰复合材料，特别是对钢构件1进行了预先处理，故其界面是牢固结合，其结构形式可参阅图3、图4、图5、图6和图7。
理论分析与典型试验结果以16锰钢与锌抗震复合材料为典型进行理论分析与试验分析。在设计抗震复合材料时，之所以选取16锰钢作为增强体，工业纯锌作为减振材料的基体材料。理由是16锰钢作为常用的建筑用钢，而锌在熔融状态下易于和钢结合，形成良好的结合面，并且锌能很好的吸收应力波穿过时的部分能量，即阻尼特性好。该种复合材料在非地震荷载下是弹性范围内工作，在地震水平I级地震荷载作用下，16锰钢和锌都处于弹性工作范围内，结构无需修理即可继续使用；在地震水平II级地震荷载作用下，16锰钢处于弹性工作范围，锌进入塑性区，在反复的地震荷载作用下，锌因为塑性变形消耗掉大量的地震能量，16锰钢在该种情况下提供结构所需的恢复力，结构经过加固后即可重新使用；在地震水平III级地震荷载作用下，16锰钢和锌都进入塑性，锌发生断裂，但16锰钢没有发生断裂，变形小于允许值，结构没有倒塌。
通过交变载荷作用下的应力波在传播过程中逐渐衰减。而低应力、小幅振动的情况下，内层材料锌的阻尼特性使整个结构的振动在较短距离内衰减到较低的数值。对应于高应力、大振幅的情况下，在一定范围内，内部锌也可以提供部分的塑性变形能力，保证结构的整体安全。这种复合结构材料的另外一个优点是，将有效地防止结构在压应力和压弯复合应力作用下的局部屈服失稳。提高了结构的整体刚度和安全性。
参阅图2，材料在受静载荷作用时，载荷主要由复合材料的刚性部分16锰钢来承受。按常规设计，只要截面合理就可以保证结构的静强度。地震波输入的时候，结构中应力波传递过程中发生衰减。应力波形满足开尔芬(Kelvin)模型，它是黏弹性体的一种本构，由线性弹簧和线性阻尼元件并联构成。故可建立16锰钢与锌抗震复合材料的构造(力学)模型。
黏弹性体的应力分别由弹性力及黏性力分担，在线性弹簧和阻尼元件中的应力σ1和σ2可以写成σ1＝Eε和σ2=ηdϵdt]]>总应力σ与应变的关系为
σ=σ1+σ2=Eϵ+ηdϵdt]]>式中σ、σ1、σ2分别为结构的总应力、弹性力及黏性力，E、η分别为弹簧的弹性模量和粘性系数，ε为应变， 为应变的时间变化率。
参阅图8，根据复合材料的复合理论，复合材料是由两种或两种以上材料组成，复合材料的力学性能与各组分的力学性能和含量有关。我们通过建立力学模型和复合准则推导出力学性能的定量关系。16锰钢与锌复合材料是由连续的双金属材料复合而成。复合材料受力时，高强度，高模量的16锰钢承受大部分载荷，而锌主要作为媒介，传递和分散载荷，产生内摩擦消耗能量。16锰钢锌抗震复合材料的力学性能除与16锰钢和锌的性能，锌的体积分数有关外，还与16锰钢与锌界面的结合强度，分布方式和断裂形式有关。
在复合材料力学性能中，弹性模量是组成材料的特征和增强材料的取向和体积分数决定的，在处理此问题时采用材料力学法。图8为复合材料受力的力学摸型图，16锰钢与锌复合材料是由锌均匀平行排列与16锰钢之中，形成单向增强复合材料。纵向为Z方向，横向为X方向和Y方向。材料单向加载时，Z方向和Y方向受力的分布情况相同，可将复合材料看成两种弹性体并联。而X方向则为两种弹性体串联，在材料应用和试验时很少用到这种情况。因此，实际计算时只考虑复合材料延Z方向受力的情况。
设Z方向拉力为PZ，且锌与16锰钢结合的界面牢固，变形时无相对滑动，即钢和锌的应变相同，根据平衡关系有PZ＝AZnσZn+ASσS(1)A＝AZn+AS(2)VZn=AZnA,VS=ASA---(3)]]>式中PZ为Z方向施加的载荷；A、AZn和AS分别为复合材料断面积、锌断面积和16锰钢断面积；VZn、VS分别为锌的体积分数和钢的体积分数。
则由上面3个式子得出复合材料流动应力为
σ＝σZnVZn+σSVS(4)在弹性变形阶段，根据虎克定律σ＝Eε (5)σ1＝EZnεZn(6)σ2＝ESεS(7)式中E、EZn和ES为复合材料、锌和16锰钢的Z方向弹性模量，代入(4)式中，得到Eε＝EZnεZnVZn+ESεSVS(8)根据应变相同，即ε＝εZn＝εS得出E＝EZnVZn+ESVS(9)由于VS＝1-VZn，代入(4)、(9)式得出σ＝σZnVZn+σS(1-VZn)E＝EZnVZn+ES(1-VZn)由上式可以得到在16锰钢锌复合材料体积一定的条件下，随着锌体积分数的增加，单向复合材料的纵向弹性模量和流动应力都降低。
单向拉伸和循环拉伸试验a)实验材料表116锰钢(a)和纯锌(b)的化学成分(wt％)
研究试验用材料为铸造法制备的16锰钢与锌双金属复合材料。所采用的原材料为16锰钢板和工业纯锌，其化学成分如表1中所示。
b)制备方法铸造法制备16锰钢与锌复合材料包括制作层状钢构件1和铸造复合材料两个过程。由于钢构件1表面有金属腐蚀产物、油泥和灰尘等污物，它们严重阻碍了浇铸时锌液与钢构件1的良好结合，所以在制备复合材料之前对材质为16锰钢的钢构件1需要进行预先处理，其工艺过程简述如下机械除锈→碱洗除油(7％的氢氧化钠溶液，50℃处理10分钟)→70℃热水冲洗→酸洗(20克/升的硫酸，50℃处理10分钟)→70℃热水冲洗→熔剂氯化铵处理(70g/L的NH4Cl，60℃，10分钟)→烘干(200℃，10分钟)；然后把钢构件1加温到250℃，锌液的浇铸温度为550℃，浇铸后空冷成型，参阅图10空冷后用DK7725E线切割机把16锰钢与锌复合材料切割成所需试样。
c)实验条件复合材料的单向拉伸和循环试验是在美国产的电液伺服实验系统控制的实验机(MTS810)上进行。参阅图10，用线切割机(DK7725E)把复合材料切割成工字形的试样，试样有效长度L1＝14mm、宽度L2＝10mm、厚度L3＝2a+b，当试样为单相材料时L3＝a或L3＝b。为消除切割过程中对试样表面的影响，在拉伸前进行预处理，即用砂纸磨去切割时试样表面形成的氧化层。拉伸和循环试验在室温下进行。表2(a)、(b)分别为单向拉伸和循环试验条件。
d)实验结果1)拉伸试验结果图11为16锰钢、锌和16锰钢与锌复合材料的拉伸曲线，曲线3是16锰钢的拉伸曲线，曲线4是锌的拉伸曲线，曲线5是16锰钢与锌复合材料的拉伸曲线。其中曲线(b)为曲线(a)方框中部分放大后的曲线，大致将其分为I、II、III、IV四个部分。在I内，三种材料均处于弹性阶段；在II内，锌开始屈服发生塑性变形耗能，而16锰钢和16锰钢与锌复合材料仍处于弹性阶段；在III内，只有钢还处于弹性阶段，其他两种材料的都已经发生塑性变形；进入IV以后，16锰钢开始屈服发生塑性变形，而此时其他两种材料的应力-应变曲线趋向于水平直线。由此可以知道应变为1％是三种材料发生塑性变形转变的一个临界应变。可以得出结论16锰钢与锌复合材料较16锰钢具有好的耗能性能，较锌则提高了刚度和强度。
2)循环拉伸试验结果表2(a)拉伸实验条件
表2(b)循环实验条件
图12(a)、(b)为16锰钢和16锰钢与锌复合材料在拉伸速度相同，为0.2mm/min，应变在±0.5％、±1％、±1.5％不同条件下循环应力-应变图，变形产生滞回曲线，对于每个应变都进行了20个循环次数。相应于图11(b)可知±0.5％材料还在II区内，而应变为1％和1.5％的复合材料都已经进入了III，IV塑性变形区，从图12(a)、(b)两图中对比可知在±0.5％、±1％、±1.5％应变下，16锰钢与锌复合材料的滞回曲线的面积远大于16Mn钢的滞回曲线的面积。也就是说，钢与锌复合材料的阻尼性能优于单一的16锰钢材料。
表3三种材料的衰减数据
参阅表3和图9，表中X1、X2、X3、X4为振动曲线在某一个周期的振幅；δ1、δ2为相邻两个波峰或者波谷的对数衰减率；δ为该材料的对数衰减率，也就是整个衰减曲线的衰减率。对于试样1和试样2可以得出16Mn钢和锌的对数衰减率δ相差不太大。试样3到试样6为层数不同的16锰钢与锌复合材料，从表中可以看出，在B方向的衰减率均大于A方向的衰减率，这表明应力波沿着B这一方向传播时其衰减较快。当锌层的层数增多时，16锰钢与锌复合材料的对数衰减率δ也逐渐增加。
根据复合理论及试验可得出结论，16锰钢与锌抗震复合材料的阻尼性能优于单一的钢材料，且强度高于单一的锌材料。但是作为建筑结构材料来使用，需要很高的强度和刚度要求。刚度和阻尼性能又是一对矛盾且对立的因素，所以我们在将16锰钢与锌抗震复合材料应用于建筑、汽车等要求较高的结构材料中时，需要适度的牺牲一部分阻尼性能而确保刚度，这样就不能够让16锰钢与锌抗震复合材料的阻尼性能得到完全应用和发挥。只有合理的取舍16锰钢与锌抗震复合材料的刚度和强度以及其阻尼性能，才能够使16锰钢与锌抗震复合材料在结构材料领域得到合理的应用。这可以通过材料制备时控制各种组成材料的体积百分比或者层状厚度比来实现。参阅图9，下面给出复合材料各种构件板(壁)厚换算公式1)复合材料板式构件板厚换算公式V＝L1×L2×L3∵L3＝naa+nbb∴V＝L1×L2×(naa+nbb)当a＝b时V＝L1×L2×(na+nb)×a＝L1×L2×(na+nb)×ba=b=VL1×L2×(na+nb)]]>当na＝nb时a=b=V2naL1×L2=V2nbL1×L2---(1)]]>式中a.为钢构件板的厚度，b.为具有减振性能的材料构件板的厚度，na.为钢构件板的层数，nb.为具有减振性能的材料构件板的层数，V.复合材料设计体积值，L1、L2.市场供应钢板长与宽定值(或设计值)。
2)复合材料圆柱式构件壁厚换算公式V＝L1×L2×L3(长方体体积)当L2＝L3等于直径时V=L1×L22×π4=L1L32×π4]]>L2＝L3＝naa+nbb当a＝b时L2＝L3＝a(na+bb)＝b(na+nb)V=L1×πa2(na+nb)24L1×πb2(na+nb)24]]>a=b(na+nb)-14VπL1=2(na+nb)VπL1]]>当na＝nb时
a=b=22naVπL1=22nbVπL1=1naVπL1=1nbVπL1---(2)]]>式中a.为钢构件壁的厚度，b.为具有减振性能的材料构件壁的厚度，na.为钢构件的层数，nb.为具有减振性能的材料构件的层数，V.复合材料设计体积值，L1、L2.市场供应钢板长与宽定值(或设计值)。
3)复合材料方柱式构件壁厚换算公式V＝L1×L2×L3当L2＝L3时L2＝L3＝naa+nbbV＝L1×L2×L3＝L1×L22＝L1×L32＝L1×(naa+nbb)2当a＝b时V＝L1×L2×L3＝L1×a2(na+nb)2＝L1×b2×(na+nb)2a=b=VL1(na+nb)2=1(na+nb)VL1]]>na＝nb时a=b=12naVL1=12nbVL1---(3)]]>式中a.为钢构件壁的厚度，b.为具有减振性能的材料构件壁的厚度，na.为钢构件的层数，nb.为具有减振性能的材料构件的层数，V.复合材料设计体积值，L1、L2.市场供应钢板长与宽定值(或设计值)。
预期产品形式在建筑行业内，由于建筑本身对结构构件的形状要求，应用本抗震复合材料可以设计生产出抗震复合材料板、抗震复合材料柱和抗震复合材料梁(这也是在实施例中为什么选用板式、圆筒式和方管式构件原因所在)。抗震复合材料柱可以有方形柱和圆形柱两类，抗震复合材料梁一般只为方形，也就是说，应用该复合材料可以生产建筑用柱材、板材和其他型材。
在汽车行业中，该抗震复合材料可以应用于汽车钢板，同时也可以应用复合材料制备汽车部分零部件。这样可以减少汽车行走过程中由于路面的原因所造成的振动和噪音，提高汽车运行的平顺性。
以上的理论分析与典型试验结果对具有减振性能的构件2材质采用镁、铝、铝基石墨和铝基电厂飞灰复合材料与16锰钢复合所得的抗震复合材料皆属类同。其理论与试验根据是1.根据混合定律σ＝σ1V1+σ2V2
E＝E1V1+E2V2式中式中V1、V2分别为构件1、构件2的体积分数；E、E1、E2分别为复合材料、构件1和构件2的弹性模量；σ、σ1、σ2分别为复合材料、构件1和构件2的强度。可以得到，在工程构件中，在结构大小尺寸一定，即在其体积一定的条件下加入具有阻尼性能的构件2，可以增加结构构件的阻尼性能，同时在工程允许范围内降低了构件的刚度和强度要求。由此可知，由以上几种有减振性能的材料和16锰钢所构成的复合材料在刚度、强度和阻尼性能方面有相似之处。
2.这些材料(镁、铝、铝基石墨和铝基电厂飞灰复合材料)的阻尼形成机制一样。由于这些材料均为界面扩散结合，其界面摩擦机理是产生阻尼机制的主要原因，根据各个组元的性能用混合定律来预计复合材料的阻尼性能，其一般形式为QMMC-1=Qm-1Vm+Qr-1Vr]]>其中Q-1为阻尼性能；V为体积分数；下标m、r、MMC分别为基体材料、具有阻尼性能的材料和复合材料。由该公式可以看出，复合材料的阻尼性能同样跟各自组成构件的体积分数有关。在这些构件组成的复合材料中，构件的体积分数是这些复合材料的阻尼性能的一个共同的决定性因素。对于由镁、铝、铝基石墨和铝基电厂飞灰复合材料和16锰钢复合成的抗震复合材料均为间隔接触排布而组成，因此其主要阻尼机制相同。
3.图13为一种复合材料的两个试件分别在拉压条件下经过一周拉压过程后，形成的滞回曲线，曲线6、7为16锰钢与锌复合材料的滞回曲线；8、9为16锰钢与铝复合材料的滞回曲线；10、11为16锰钢与镁复合材料的滞回曲线；12、13为16锰钢与铝基石墨复合材料的滞回曲线；14、15为16锰钢与铝基电厂飞灰复合材料的滞回曲线，可以看出，几种材料的滞回曲线面积相差不大，也就是说镁、铝、铝基石墨和铝基电厂飞灰复合材料的阻尼性能和锌一样，其阻尼性能相对单一的16锰钢材料都要好。因此这几种复合材料的阻尼性能有相近之处。
当然，本发明所述的钢构件1除了选用板式、圆筒式和方管式构件以外，根据需要还可以选用其他横截面为有规则形状的空心的型材件；本发明所述的钢构件1采用的材质除了采用16锰钢以外，根据需要还可以选用碳素结构钢、低合金结构钢和超高结构钢；本发明所述的构件2采用的材质除了采用镁、铝、锌、铝基石墨和铝基电厂飞灰复合材料以外，还可以选用其他具有减振性能的和铸造工艺性能的材料，这些均属本发明的保护范围。
此外，本发明不仅可以应用于建筑领域和行走机械方面，而且还可以应用于其他与振动有关，需要利用材料的阻尼性能吸收由于振动产生的能量的领域，只要采用了由间隔接触排布的钢构件1和具有减振性能的构件2组成的材料，只要采用了两种构件之间的数量关系可以是相同，也可是钢构件1的数量比构件2的数量多1；两种构件界面牢固结合，受力变形时无相对滑动的材料，来吸收、消耗由于振动产生的能量，也皆属本发明的保护范围。
权利要求
1.一种抗震复合材料，其特征在于由间隔接触排布的钢构件(1)和具有减振性能的构件(2)组成，两种构件之间的数量关系可以是相同，也可以是钢构件(1)的数量比具有减振性能的构件(2)的数量多1；两种构件界面牢固结合，受力变形时无相对滑动。
2.按照权利要求1所述的一种抗震复合材料，其特征在于所述的钢构件(1)可以是钢板构件、圆筒构件或者是方管构件。
3.按照权利要求1所述的一种抗震复合材料，其特征在于所述钢构件(1)的材质是16锰钢，其组分含量按重量百分比计为Fe.余量、C.0.17、Si.0.5、Mn.1.57、S.0.05、P.0.045。
4.按照权利要求1所述的一种抗震复合材料，其特征在于所述具有减振性能的构件(2)采用的材质可以是金属镁、铝或锌；也可以是铝基石墨或铝基电厂飞灰复合材料。
5.按照权利要求1或4所述的一种抗震复合材料，其特征在于所述具有减振性能的构件(2)采用的材质是镁、铝、锌、铝基石墨或铝基电厂飞灰复合材料，其组分含量按重量百分比计分别为镁.Al.2.5、Zn.0.60、Mn.0.20、Si.0.10、Fe.0.002、Cu.0.001、Ni.0.001、Mg.余量；铝.Fe.0.07、Si.4.0、Cu.3.0、Mn.0.5、Mg.0.25、Ni.0.3、Zn.0.55、Sn.0.05、Ti.0.20、Pb.0.15、Cr.0.15、Al.余量；锌.Pb.0.003、Fe.0.001、Cd.0.001、Cu.0.001、Zn.余量；铝基石墨.Al.92.0、C.8.0，石墨颗粒尺寸为300～500μm、碳含量为96％～99％、其余为灰分；铝基电厂飞灰复合材料.Al.90.0、电厂飞灰.10.0。其中电厂飞灰颗粒的组成为Na2O.1.04、Al2O3.21.95、SiO2.70.18、K2O.2.43、CaO.0.90、TiO2.0.75、Fe2O3.2.75。
6.一种生产权利要求1所述的一种抗震复合材料的方法，其特征是包括下列的步骤1)钢构件(1)预先处理(1)机械除锈用砂纸打磨钢构件(1)的表面，去除表面的铁锈以及其他杂物；(2)碱洗除油在温度为50℃的条件下将钢构件(1)浸入7％的氢氧化钠溶液中，在50℃温度下保持10分钟，即可将钢构件(1)表面的附着油污处理干净；(3)热水冲洗用70℃热水冲洗钢构件(1)表面，去除残留在钢构件(1)表面的氢氧化钠溶液以及氢氧化钠溶液溶解的其他杂质；(4)酸洗为了确保钢构件(1)表面的氢氧化钠溶液清洗干净，将钢构件(1)浸入20克/升的硫酸溶液中，在50℃温度下保持10分钟；(5)热水冲洗用70℃热水冲洗钢构件(1)表面，去除残留在钢构件(1)表面的硫酸溶液及硫酸溶液溶解的其他杂质；(6)熔剂处理处理后的钢构件(1)表面涂上一层70克/升的氯化铵熔剂，在60℃温度下保持10分钟，其作用是防止酸洗后的钢构件(1)在空气中被氧化而产生新的氧化层，以提高具有减振性能的材料对钢构件(1)的附着力；(7)烘干在200℃温度下保持10分钟将钢构件(1)烘干；2)焊接钢构件(1)成箱形模型按照欲制抗震复合材料中钢构件(1)之间的间距排布预先处理过的钢构件(1)，再用一些辅助构件将其焊接成箱形模型；3)将焊接成箱形模型的钢构件(1)加热到250℃后保持温度不变，然后用铸造法将熔解的具有减振性能的材料液浇入箱形模型中，在空气中冷却成型。
全文摘要
本发明公开了减少地震给人们带来损失的一种抗震复合材料及其制造方法。该材料是一种同时具备高刚度，高强度和高弹塑性的材料，其特征在于由间隔接触排布的钢构件(1)和具有减振性能的构件(2)组成，两种构件之间的数量关系可以是相同，也可是钢构件(1)的数量比构件(2)的数量多1；两种构件界面牢固结合，受力变形时无相对滑动。发明还提供了生产该抗震复合材料的方法，其特征在于钢构件(1)预先处理；焊接钢构件(1)成箱形模型；用铸造法将熔解的具有减振性能的材料液浇入箱形模型中并在空气中冷却成型。抗震复合材料还可用于行走机械的减振，皆利用材料的阻尼性能吸收地震能量或者汽车碰撞中产生的能量而减少破坏。
文档编号B32B15/01GK1940375SQ2006100170
公开日2007年4月4日 申请日期2006年7月21日 优先权日2006年7月21日
发明者曹占义, 包晓军, 刘勇兵, 孙喜良, 吴坪安 申请人:吉林大学