一种高阻尼复合材料的制作方法
【专利摘要】一种高阻尼复合材料，本发明涉及一种阻尼复合材料，它解决现有阻尼复合材料的密度大和阻尼峰值低的问题。此高阻尼复合材料由TiNi合金纤维与基体金属复合制成，其中基体金属为铝、铝合金或镁合金，TiNi合金纤维在高阻尼复合材料中的体积分数为30%～60%。该高阻尼复合材料可以选用不同相变温度的TiNi合金纤维作为增强体，制备在-100℃到120℃温度范围内具有高阻尼特性的复合材料。本发明高阻尼复合材料的密度较小，当由相变温度为70℃的TiNi合金纤维与1060Al复合得到的高阻尼复合材料的阻尼峰值能够达到0.04。本发明可以应用于航空航天精密构件的支撑平台等结构。
【专利说明】一种高阻尼复合材料
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及一种阻尼复合材料。
【背景技术】
[0002]应用于航空航天领域的高精密设备和仪器不断集成化和轻量化，对材料的阻尼性能提出了更高的要求。如航天遥感卫星服役过程中，由于时刻受到星上活动部件如动量轮转动、太阳翼步进，以及空间环境包括太阳风扰动、地球引力场变化等的影响，卫星会发生微振动。这种微振动能量小，频带宽，姿态控制系统很难测控，而且会引起组成空间相机结构和光学系统的各个零件内部的微变形或者相互之间的微位移，影响成像品质。这一问题随着航天遥感向着更高分辨率的发展而日趋凸显，成为高分辨率光学遥感领域必须解决的关键技术问题。采用传统的减振结构易引起设备结构进一步复杂，不利于高精密设备和仪器的集成化和小型化，采用高阻尼合金可有效解决这一问题。而常用的阻尼合金如灰口铸铁、MnCu合金、FeCr合金，虽然在航海和汽车工业获得一些应用，但由于存在密度大，比强度低以及耐热性差等缺陷，难以满足航空航天领域的应用。同时，由于外部工作环境的差异，需要在特定温度下具有高阻尼特性。因此，研发一种同时具有密度小和优良阻尼性能的结构功能一体化高阻尼材料，对军用和民用航空航天领域均具有重大意义。
[0003]高阻尼是指材料在振动过程中由于内部原因引起外部机械能快速消耗的特殊性能。不同金属阻尼材料的阻尼机制有所不同，目前采用的阻尼材料按其阻尼机制不同主要包括:位错型，如镁合金，其阻尼性能优良，但强度偏低、耐腐蚀性较差；孪晶型，如Mn-Cu系合金，同时具有优良的阻尼性能和较高的强度，但大多含有色金属，加工和生产成本较高；铁磁型，如Fe-Cr系合金，具有良好的阻尼性能和高的使用温度，但是其阻尼性能容易受到磁场的影响；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点，但其强度较低，抗腐蚀性能也较差；复相型，如灰口铸铁，其阻尼性能随应变幅度的增大而提高，但其密度较大。
[0004]在金属基体中加入增强相制成复合材料能使材料同时具有较好的阻尼性能和较强的力学性能。在制备复合材料中一般选择颗粒、晶须和纤维作为增强相。与颗粒或晶须相比，连续纤维可以较大程度地提高复合材料的阻尼。目前研究较多的阻尼金属基复合材料主要是Mg基阻尼复合材料和Al基阻尼复合材料。[0005]目前有关于采用TiNi形状记忆合金制备金属基复合材料的报道，主要关注的是复合材料的制备工艺和力学性能。陈军等人在2001年《钛工业进展》中的“N1-Ti形状记忆合金强化的钛基和铝基复合材料”记载了使用真空热压，热挤压和火花等离子烧结分别制备了 Ti5a3Ni合金短纤维和连续纤维强化的6061A1基复合材料。张小明等人在2001年《稀有金属快报》中的“电脉冲烧结法制备形状记忆合金颗粒弥散铁基复合材料”采用电脉冲烧结法成功制备了 TiNi形状记忆合金粒子弥散钢基复合材料，选择Ti5tlNi5tl等原子比形状记忆合金粉和SCM435钢粉，记忆合金粉含量为Ivol %，球磨混合均匀采用电脉冲烧结装置烧结。启明等人在2006年《金属功能材料》中“TiNi形状记忆合金丝增强镁合金基复合材料”采用脉冲通电热压烧结装置在传统碳模中制取了质量良好的TiNi形状记忆合金丝镁基复合材料。Xie 等人在 2007 年《Journal of Engineering Materials and Technology))中“Development of short fiber-reinforced NiTi/A16061Composite，，研究发现随着 TiNi合金预应变加大，复合材料的强度增加，且随着温度的上升，复合材料的强度也会增加。但已有的报道表明，制备成功的TiNi合金金属复合材料均采用单一相变的形状记忆合金作为增强体，且体积分数较低，不具备阻尼性能。
【发明内容】
[0006]本发明目的是为了解决现有阻尼复合材料的密度大和阻尼峰值低的问题，而提供一种在特定温度范围内实现高阻尼特性的复合材料。
[0007]本发明高阻尼复合材料由TiNi合金纤维与基体金属复合制成，其中基体金属为铝、铝合金或镁合金，TiNi合金纤维在高阻尼复合材料中的体积分数为30%~60%。
[0008]本发明高阻尼复合材料通过压力浸渗法或粉末冶金法制备得到，压力浸渗法是将预成型件与熔融合金浸渗，再冷却，脱模，经机械加工除去模具得到复合材料。而粉末冶金法将预成型件在高温高压下烧结，制备得到复合材料。
[0009]本发明发现TiNi合金具有在某个温度下阻尼性能急剧上升的特性，这是由于在这个温度下发生相变的结果，根据TiNi合金成分的不同，可以在一定温度范围内任意调整合金的相变温度点。因此，将TiNi合金与轻合金制成复合材料，进而设计出在某个温度范围内具有闻阻尼特性的复合材料。
[0010]本发明的高阻尼复合材料具有在某个温度范围内沿纤维排布方向上具有高阻尼特性。通过合理的选择TiNi形状记忆合金的成分，复合材料的高阻尼特性可以在-100°c到120°C温度区间内调整。高阻尼复合材料的密度较小，由相变温度为70°C的TiNi合金纤维与1060A1复合得到的高阻尼复合材料的阻尼峰值能够达到0.04。本发明的高阻尼复合材料可以应用于航空航天精密构件的支撑平台等结构。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]图1为实施例一和实施例二的高阻尼复合材料在室温到300°C温度区间内的阻尼-温度谱图，其中代表实施例一的高阻尼复合材料，?代表实施例二的高阻尼复合材料。
【具体实施方式】
[0012]【具体实施方式】一:本实施方式高阻尼复合材料由TiNi合金纤维与基体金属复合制成，其中基体金属为铝、铝合金或镁合金，TiNi合金纤维在高阻尼复合材料中的体积分数为 30% ~60%ο
[0013]本实施方式的高阻尼复合材料由TiNi合金纤维与轻合金(铝合金或镁合金)复合而成，TiNi合金在一定温度下会发生马氏体向奥氏体相变，从而产生高阻尼特性，选用不同相变温度的TiNi合金纤维作为增强体，可以制备在特定温度下具有高阻尼特性的复合材料。
[0014]【具体实施方式】二:本实施方式与【具体实施方式】一不同的是TiNi合金纤维的直径为0.1~1mm。其它与【具体实施方式】一相同。
[0015]【具体实施方式】三:本实施方式与【具体实施方式】一或二不同的是TiNi合金纤维中的Ni原子比例为48%~52%。其它与【具体实施方式】一或二相同。
[0016]【具体实施方式】四:本实施方式与【具体实施方式】一至三之一不同的是TiNi合金纤维由多种相变温度不同的TiNi合金纤维混合。其它与【具体实施方式】一至三之一相同。
[0017]本实施方式TiNi合金纤维是在-100°C到100°C范围内选择几种相变温度不同的TiNi纤维按任意比混合而成。
[0018]【具体实施方式】五:本实施方式与【具体实施方式】一至四之一不同的是基体金属中的铝合金为1060A1或6061A1。其它与【具体实施方式】一至四之一相同。
[0019]【具体实施方式】六:本实施方式与【具体实施方式】一至五之一不同的是基体金属中的镁合金为AZ31或AZ91。其它与【具体实施方式】一至五之一相同。
[0020]实施例一:本实施例高阻尼复合材料由TiNi5a3合金纤维与1060A1复合制成，TiNi50.3合金纤维在高阻尼复合材料中的体积分数为50%。
[0021]本实施例中TiNi5a3合金纤维的相变温度为70°C，TiNi5a3合金纤维的直径为0.1mm，TiNi合金纤维与1060A1复合制备单向复合材料板。高阻尼复合材料在纤维方向上的密度为4.14g/cm3。
[0022]本实施例的高阻尼复合材料采用压力浸渗法制备，制备方法是先通过模具将TiNi合金纤维铺设固定，制成预成型件；将预成型件在600°C下预热2小时后倒入熔融合金浸渗成复合材料；冷却脱模后采用机械加工除去模具，然后对复合材料进行均匀化处理I小时，得到高阻尼复合材料。
[0023]实施例二:本实施例高阻尼复合材料由TiNi48合金纤维与1060A1复合制成。其它与实施例一相同。
[0024]本实施例TiNi48合金纤维的相变温度为100°C。
[0025]实施例一和实施例二得到的高阻尼复合材料的阻尼-温度谱如图1所示，从图中可知两种高阻尼复合材料在90°C和120°C温度时复合材料出现阻尼峰，阻尼峰值分别为
0.04 和 0.035。
[0026]实施例三:本实施例高阻尼复合材料由TiNi5tl合金纤维、TiNi5a6合金纤维与AZ91镁合金复合制成，TiNi5tl合金纤维和TiNi5tl.6合金纤维在高阻尼复合材料中的体积分数总和为60%，其中TiNi5a6合金纤维和TiNi5tl合金纤维的体积分数比为1:4。
[0027]本实施例中TiNi5tl合金纤维的相变温度为100°C，TiNi5a6合金纤维的相变温度为50°C, TiNi合金纤维的直径为0.1mm。
[0028]本实施例TiNi合金纤维的排布是将两种相变温度不同的合金纤维逐层叠放，每层合金纤维相对于下层的合金纤维倾斜45度，即将TiNi合金纤维置于石墨胎具中按照0-45-90度的角度多层铺设，采用粉末冶金法形成厚度为3mm的复合材料板，该高阻尼复合材料的密度为4.05g/cm3。粉末冶金法是先通过模具将TiNi合金纤维铺设固定，再加入基体镁合金粉末，压实后制成预成型件；再将预成型件在400°C，50Mpa的条件下保压I小时制备成复合材料；冷却脱模后采用机械加工除去模具，取出得到高阻尼复合材料。
[0029]本实施例所得的高阻尼复合材料在70°C和120°C温度时在平板的各个方向上出现阻尼峰，阻尼峰值分别为0.02和0.025。[0030]实施例四:本实施例高阻尼复合材料由TiNi52合金纤维与AZ31镁合金复合制成，TiNi52合金纤维在高阻尼复合材料中的体积分数为30%。
[0031]本实施例中TiNi52合金纤维的相变温度为_100°C，合金纤维的直径为0.5mm。
[0032]本实施例TiNi合金纤维的排布是将TiNi合金纤维等间距排布，间距为0.15mm，放入模具型腔中采用与实施例三相同的粉末冶金法形成厚度为3mm的复合材料板，该高阻尼复合材料的密度为2.9g/cm3。
[0033]本实施例的高阻尼复合材料厚板在_100°C出现阻尼峰值，阻尼峰值为0.02。
[0034]实施例五:本实施例高阻尼复合材料由TiNi5a9合金纤维与6061铝合金复合制成，TiNi5a9合金纤维在高阻尼复合材料中的体积分数为40%。
[0035]本实施例中TiNi5a9合金纤维的相变温度为25°C，合金纤维的直径为1mm。
[0036]本实施例借助胎具将TiNi合金纤维单向等间距排布成厚板预成型件，间距为
0.2mm。采用无压浸渗的方法制备成复合材料板。即先通过模具将TiNi合金纤维铺设固定，制成预成型件；将预成型件与铝合金在真空 环境下加热至铝合金熔化，熔融铝合金在重力作用下与预成型件浸渗成复合材料；冷却脱模后采用机械加工除去模具，取出得到高阻尼复合材料。该高阻尼复合材料的密度为3.86g/cm3。
[0037]本实施例的高阻尼复合材料厚板在30°C出现阻尼峰值，阻尼峰值为0.03。
[0038]实施例六:本实施例高阻尼复合材料由TiNi5a6合金纤维、TiNi5a3合金纤维、TiNi50合金纤维与606IAl复合制成，TiNi5a6合金纤维、TiNi5a 3合金纤维和TiNi5tl合金纤维在高阻尼复合材料中的体积分数总和为50%，其中TiNi50.6合金纤维、TiNi5tl.3合金纤维和TiNi5tl合金纤维的体积分数比为1:2:2。
[0039]本实施例中TiNi5a6合金纤维的相变温度为50°C，TiNi5a3合金纤维的相变温度为70°C, TiNi50合金纤维的相变温度为100°C，各合金纤维的直径为0.2mm。
[0040]本实施例TiNi合金纤维的排布是将合金纤维按照不同相变温度分层排布的，外层排布相变温度为100°c的TiNi合金纤维，中间排布相变温度为70°C的TiNi合金纤维，内层排布相变温度为50°C的TiNi合金纤维，然后采用与实施例一相同的压力浸渗法得到厚度为3mm的复合材料板。该高阻尼复合材料的密度为4.15g/cm3。
[0041]本实施例的高阻尼复合材料厚板在50°C~100°C较宽温度范围下的阻尼值为
0.015。
【权利要求】
1.一种高阻尼复合材料，其特征在于高阻尼复合材料由TiNi合金纤维与基体金属复合制成，其中基体金属为铝、铝合金或镁合金，TiNi合金纤维在高阻尼复合材料中的体积分数为30%~60%。
2.根据权利要求1所述的一种高阻尼复合材料，其特征在于TiNi合金纤维的直径为0.1 ~Imm0
3.根据权利要求1所述的一种高阻尼复合材料，其特征在于TiNi合金纤维中的Ni原子比例范围为48%~52%。
4.根据权利要求1所述的一种高阻尼复合材料，其特征在于TiNi合金纤维由多种相变温度不同的TiNi合金纤维混合。
5.根据权利要求1所述的一种高阻尼复合材料，其特征在于基体金属中的铝合金为1060A1 或606IAl。
6.根据权利要求1所述的一种高阻尼复合材料，其特征在于基体金属中的镁合金为AZ31 或 AZ91。`
【文档编号】C22C49/14GK103710650SQ201410015968
【公开日】2014年4月9日 申请日期:2014年1月14日 优先权日:2014年1月14日
【发明者】武高辉, 胡杰, 张强, 姜龙涛 申请人:哈尔滨工业大学