第3期第361-366页
Vol.50No.3pp.361-366
ACTAMETALLURGICASINICA
Mar.2014
预制件烧结温度对Bi(OH)3-Al18B4O33w/Al复合材料
阻尼性能的影响*
刘刚1,2)唐莎巍1)胡津1)
1)哈尔滨工业大学材料科学与工程学院,哈尔滨1500012)哈尔滨理工大学应用科学学院,哈尔滨150080
摘要采用化学方法在Al18B4O33晶须表面涂覆Bi(OH)3,对所制备的晶须预制件进行不同温度的烧结,在晶须表面获得不
同结构的涂层.利用挤压铸造方法制备相应的纯铝基复合材料.研究了烧结温度对复合材料微观组织和阻尼性能的影响.结果表明:晶须预制件烧结温度对涂覆复合材料界面微观组织和阻尼性能有显著影响,当烧结温度为530及830℃时,2种复合材料中均存在2个阻尼峰(位错阻尼与界面阻尼),后者的阻尼在整个测试温度范围内最高;当预制件烧结温度为1000℃时,复合材料中仅存在一个界面阻尼峰,产生这种现象的原因主要是由于它们的界面状态不同造成的.
关键词Al18B4O33晶须,Bi(OH)3涂层,预制件,烧结温度,阻尼性能中图法分类号TG142.7
文献标识码A
文章编号0412-1961(2014)03-0361-06
EFFECTSOFSINTERINGTEMPERATUREOFWHIS-KERPREFORMONTHEDAMPINGPROPERTIESOFBI(OH)3-COATEDAL18B4O33WHISKER-REINFORCEDALUMINUMCOMPOSITES
LIUGang1,2),TANGShawei1),HUJin1)
1)SchoolofMaterialsScienceandEngineering,HarbinInstituteofTechnology,Harbin1500012)CollegeofAppliedScience,HarbinUniversityofScienceandTechnology,Harbin150080
Correspondent:HUJin,professor,Tel:(0451)86415894,E-mail:hujin@hit.edu.cn
SupportedbyScienceandTechnologyFoundationoftheEducationDepartmentofHeilongjiang
Province(No.12531114)
Manuscriptreceived2013-07-17,inrevisedform2013-11-21
ABSTRACTInordertoaltertheoverallpropertiesofcomposites,thereinforcementcoatingsarecommonlyim-plementedtoimprovewettingbehaviorandpreventinterfacialreaction.Unfortunately,fewresearcheswereempha-sizedontheeffectsofthesinteringtemperatureofwhiskerpreform(STWP)onthedampingbehaviorofcompos-ites,especiallywhiskerwithcoatings.Inthepresentinvestigation,Al18B4O33whiskerwascoatedwithBi(OH)3byachemicalmethod.Thewhiskerpreformwassinteredatthedifferenttemperature.Thecoatedwhisker-reinforcedaluminummatrixcompositeswerefabricatedthroughsqueezecastingtechnique.ThedampingpropertiesofthecoatedcompositeswiththedifferentSTWPwerepresentedanddiscussed.Theresultsindicatedthatthemicrostruc-turesofcoatingsonthewhiskersurfacesandattheinterfaceinthecoatedcompositesarestronglydependentonSTWP.Therearetwodampingpeaksinthecoatedcomposites(relatedtodislocationdampingandinterfacedamp-ing),whenSTWPis530and830℃,respectively.OnlyoneinterfacedampingpeakoccurinthecoatedcompositewhenSTWPis1000℃.WhenSTWPis830℃,thehighestdampingcapacityisobtainedinthecoatedcomposite,
*黑龙江省教育厅基金资助项目12531114
收到初稿日期:2013-07-17,收到修改稿日期:2013-11-21作者简介:刘刚,男,1980年生,讲师DOI:10.3724/SP.J.1037.2013.00421
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whichrelatetoaspecialinterfacialstructure.
金属学报
第50卷
KEYWORDSAl18B4O33whisker,Bi(OH)3coating,preform,sinteringtemperature,dampingproperty
金属基复合材料因其高的机械性能及低的价格而受到人们广泛关注[1~5].国内外学者围绕增强体表面改性、基体与增强体界面反应、界面微结构状态等方面研究界面结构与复合材料综合性能的关系,从而对复合材料界面进行设计[6~9].增强体表面涂覆不仅能提高润湿性还能避免增强体与基体之间发生有害化学反应,因而使复合材料整体性能得到改善[10~13].
Feldhoff等[14]在碳纤维表面制备了TiO2涂层,发现涂层的引入抑制了界面附近脆性碳化物的形成,提高了复合材料力学性能.Davidson等[15]指出,通过在SiC颗粒表面化学镀Cu有利于SiCp/Al复合材料的界面结合.张小农等[16]采用化学气相沉积(CVD)技术制备了具有不同界面层的Cf/Al复合材料.发现,当应变振幅高于4×10-5时,具有涂层的Cf/Al复合材料的室温阻尼性能得到显著提高.本课题组前期工作[17,18]发现,在所测试的温度范围内SnO2及Bi2O3涂覆Al18B4O33晶须增强的纯铝基复合材料比未涂覆的复合材料具有更高的阻尼容量.然而有关预制件烧结温度对复合材料阻尼性能的影响研究甚少,尤其是涂覆晶须.毫无疑问,预制件烧结温度会改变涂层在晶须表面的结构进而影响涂覆复合材料的界面状态,界面状态的改变必将对复合材料的性能产生影响.本工作通过化学方法在Al18B4O33晶须表面涂覆Bi(OH)3,并对晶须预制件在不同温度下进行烧结,随后采用挤压铸造方法制备复合材料,研究预制件烧结温度对复合材料阻尼性能的影响,并探讨相应的阻尼机制.
用X-Pert型X射线衍射仪(XRD)对涂覆晶须及复合材料进行物相分析,Cu靶,操作电压40kV,管电流40mA.利用S-4700扫描电子显微镜(SEM)观察晶须表面涂层形貌,利用TECNAIG2型透射电子显微镜(TEM)观察复合材料的界面结构及位错组态,操作电压120kV.在TAQ800动态机械分析仪上测试阻尼性能,实验采用单悬臂方式.试样尺寸为36mm×6mm×lmm,测试温度范围为室温～400℃,升温速率5℃/min,振动频率为0.5～20Hz.
2实验结果
2.1涂覆晶须的热稳定性
图1是涂覆晶须的DSC及TG曲线[19].可见,TG曲线呈现失重及质量稳定不变2个阶段.由于晶须热稳定性较高,因此,质量的变化表明了Bi(OH)3的分解过程.在350～550℃之间DSC曲线中出现了3个持续吸热峰,这归功于Bi(OH)3不同的分解阶段,期间总的失重约为3%;随后TG曲线不再变化,表明Bi(OH)3完全分解为Bi2O3.随后在656.9和746.8℃2个吸热峰涉及到Bi2O3的相变(Bi2O3在450～800℃有4种同素异构体).有关Bi(OH)3的分解过程及Bi2O3的相变已在前期的研究[19,20]中进行了很好的解释.675.4℃出现的放热峰是晶须与Bi2O3发生了反应,这可由XRD确认.本研究的预制件烧结温度即根据DSC确定.
涂覆后晶须预制件经不同温度烧结后的XRD谱[19]表明,当烧结温度较低时(530℃),晶须表面涂层中仅含a-Bi2O3衍射峰,其相对宽化的衍射峰表明晶须表面的涂覆物质结晶状态较差.当烧结温度为830℃时,晶须表面涂覆物含有b-Bi2O3及Al4Bi2O9,表明在烧结过程中晶须与Bi2O3的反应伴随着
1实验方法
本实验所用增强体为日本四国株式会社生产的A118B4O33晶须,基体为商业纯Al.利用化学方法在晶须表面涂覆Bi(OH)3.首先将晶须倒入蒸馏水中进行超声分散,随后向含有晶须的溶液中滴定铋盐和氨水,Bi(OH)3便随着时间的延长在晶须表面析出,过滤并施压,即形成晶须预制件(通过控制晶须与铋盐的比例即可控制晶须表面涂覆量).将预制件分别在530,830和1000℃下烧结1h,晶须表面可获得不同结构的涂层.采用挤压铸造法制备晶须体积分数约为20%的复合材料.
采用STA449C热分析仪进行热重(TG)及差热(DSC)分析,N2保护,升温速率为10℃/min.利
a-Bi2O3→b-Bi2O3相变同时发生.尽管此时的烧结
０．１０Ｅｘｏ．７３．１ Ｃｏ５２２．３ Ｃ０．８５％ｏ４７０．２ Ｃ６５６．９ Ｃ３．１３％７４６．８ Ｃｏｏｏ１０１１００９９９８９７ＴＧ９６９５ Ｈｅａｔ ｆｌｏｗ ／ （ｍＷ◊ｍｇ）－１０．０８０．０６ＳＣ０．０４Ｄ０．０２０．００－０．０２－０．０４Ｃ３８５．２ ｏＣ２７６．２ ｏ６７５．４ ＣＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ／ Ｃ ｏＣ６８７．５ ｏｏ１００２００３００４００５００６００７００８００９００图1涂覆晶须的DSC及TG曲线[19]
Fig.1DSCandTGcurvesofBi(OH)3coatedwhisker[19]
Ｗｅｉｇｈｔ ｌｏｓｓ ／ ％ 第3期
刘刚等:预制件烧结温度对Bi(OH)3-Al18B4O33w/Al复合材料阻尼性能的影响363
温度比晶须与Bi2O3的反应温度(680℃)高,但反应并不充分和彻底,因此,仍有Bi2O3在预制件中残留.
b-Bi2O3衍射峰较为尖锐,表明涂覆物晶化程度较好.随着预制件烧结温度的升高,晶须与Bi2O3的反应更加容易.晶须与Bi2O3连续的反应消耗掉了残余的Bi2O3,当预制件在1000℃下烧结时,在XRD谱中只有晶须与Al4Bi2O9的衍射峰出现.晶须表面涂覆物随预制件烧结温度的变化必然引起相应复合材料微观组织的变化.
2.2涂覆复合材料的微观组织
图2是复合材料的XRD谱.为表述方便,将预制件在530,830和1000℃下烧结后所制备的复合材料分别定义为C1,C2和C3.通过对衍射图谱的标定表明,在复合材料C1中除了Al和晶须的衍射峰外,还存在Bi和Bi2O3的衍射峰.在复合材料C2中,不仅含有Al和晶须的衍射峰,还含有Bi和Al4Bi2O9的衍射峰.而复合材料C3中,仅含有Al,晶须和Al4Bi2O9的衍射峰.以上结果表明,在复合材料的制备过程中,晶须表面的Bi2O3与熔融的基体Al发生界面反应生成Bi,而Al4Bi2O9与Al不发生反应而保留下来.此外,还可以看到,C2中Bi衍射峰的相对强度比C1中的高,而且C2中检测不到Bi2O3的衍射峰,说明在复合材料制备过程中有更多的Bi被引入到复合材料C2中.尽管预制件在830℃烧结时,晶须与Bi2O3发生反应消耗掉了部分Bi2O3,但由于烧结温度较高,烧结后晶须表面的Bi2O3不仅全部晶化还发生了a→b相变.在复合材料的制备过程中,这些b-Bi2O3更易于与熔融的Al发生反应,从而在复合材料C2中引入了更多的Bi.预制件在530℃下烧结时,由于烧结温度较低,晶须表面部分a-Bi2O3呈非晶状态,在复合材料制备过程中不易与熔融的Al
发生反应,因此,在复合材料C1中仍可以检测到残存的a-Bi2O3,因此,只有少量的Bi被引入到复合材料C1中.
根据Al-Bi二元合金相图可知[21],基体Al与单质Bi之间几乎不互溶.由此可推断,挤压铸造过程中Bi2O3与基体Al发生原位反应而生成的Bi应该存在于晶须和基体的界面处.具体反应方程式如下:
2Al+Bi2O3→2Bi+Al2O3
(1)
图3为3种状态复合材料界面结构的TEM像及相应的选区电子衍射(SADP).可见,预制件烧结温度对复合材料的界面结构产生明显影响.对复合材料C1而言,界面处不连续地分布着半球状的颗粒状物质(图3a),根据式(1)可知这些颗粒应该为Bi和Al2O3.由于Bi2O3与晶须之间未发生反应,未对晶须造成损伤,因此界面较为光滑平直.而在复合材料C2和C3中,由于Bi2O3与晶须在预制件烧结过程中发生反应,损伤了晶须,故相应复合材料的界面不再光滑,其中复合材料C3界面处呈现的粗糙程度较大.在复合材料C2中由于引入了更多的Bi(图2),因此,在其界面处可见明显的Bi界面层(图3b),而复合材料C3中则未见Bi的存在(图3c),只有晶须与Bi2O3的反应产物Al4Bi2O9(图3d).
图4为3种复合材料界面附近基体的位错组态.在复合材料的基体中均可明显观察到位错.图4a和b中位错缠结相对较少,而图4c中位错呈胞状结构,位错出现了回复现象.2.3涂覆复合材料的阻尼性能
图5为3种复合材料的阻尼-温度谱.可见,3种复合材料的阻尼容量均随温度的升高及频率的降低而增大,呈现出热激活特性.此外,复合材料C1及C2的阻尼-温度谱具有相似特征(图5a和b),均存在2个阻尼峰(60～150℃的阻尼峰记为P1,250～350℃阻尼峰记为P2);而在复合材料C3中仅存在一个微弱的阻尼峰P2,相应的阻尼值也明显低于C2(图5c).为分析预制件烧结温度对涂覆复合材料阻尼性能的影响规律,将以上3种复合材料的阻尼温度谱示于图5d.由图可见,预制件烧结温度不仅影响复合材料阻尼温度谱的形状,而且对阻尼峰的峰位产生显著影响.尽管复合材料C1与C2的阻尼曲线具有十分相似的特征,但复合材料C2在整个测试温度范围内的阻尼容量更高,且随温度的升高,两者阻尼值的差距明显增大.而复合材料C3的阻尼容量始终处于一个较低的状态,直至温度接近300℃,其阻尼值才超过复合材料C1.
Ｉｎｔｅ ｎｓｉｔｙ ／ ａ．ｕ．ＡｌＢｉＡｌＢｉＯ４２９ＡＢＯｗＯＢｉ２３ １０００ ＣｏＣ８３０ ５３０ Ｃｏｏ１０２０３０４０５０６０ｏ２q ／ （） ７０８０９０图2晶须预制件经不同温度烧结后相应复合材料的
XRD谱
Fig.2XRDspectraofthecoatedcompositeswithdifferent
sinteringtemperaturesofwhiskerpreform
364金属学报
第50卷
图3晶须预制件经不同温度烧结后相应复合材料的界面结构
Fig.3Microstructuresofthecoatedcompositesofwhiskerperformsinteredat530℃(a),830℃(b)and1000℃(c),and
SADPcorrespondingtotheregionAinFig.3c(d)
图4晶须预制件经不同温度烧结后相应复合材料界面附近的位错组态
Fig.4Dislocationstatesofthecoatedcompositesofwhiskerpreformsinteredat530℃(a),830℃(b)and1000℃(c)
3分析与讨论
以上研究结果表明,由于涂覆晶须预制件在不同温度下进行烧结后,晶须表面涂层结构不同,因而引起相应复合材料中界面处微观组织发生变化,
导致阻尼性能存在较大差异
由于所选择的预制件烧结温度高于Bi(OH)3的分解温度(根据DSC曲线),故在晶须表面存在分解产物Bi2O3.在挤压铸造过程中,通过Bi2O3和基体Al
第3期
刘刚等:预制件烧结温度对Bi(OH)3-Al18B4O33w/Al复合材料阻尼性能的影响
０．０５０．０４－１Ｑ 365
（ａ） －１Ｑ０．０３０．０２０．０１０．００ ０．５ Ｈｚ １．０ Ｈｚ ５．０ Ｈｚ １０ Ｈｚ ２０ ＨｚＰ１Ｐ２０．１００．０８０．０６０．０４０．０２０．００（ｂ） ０．５ Ｈｚ １．０ Ｈｚ ５．０ Ｈｚ １０ Ｈｚ ２０ ＨｚＰ１Ｐ２５０１００１５０２００２５０３００３５０４００Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ／ Ｃ ０．０８０．０７０．０６ ｏ５０１００１５０２００２５０３００３５０４００Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ／ Ｃｏ（ｃ） ０．５ Ｈｚ １．０ Ｈｚ ５．０ Ｈｚ １０ Ｈｚ ２０ ＨｚＰ２０．１００．０８０．０６ （ｄ）ｆ ＝ ０．５ Ｈｚ Ｓｉｎｔｅｒｅｄ ａｔ ５３０ Ｃｏ Ｓｉｎｔｅｒｅｄ ａｔ ８３０ Ｃｏ Ｓｉｎｔｅｒｅｄ ａｔ １０００ ＣｏＰ２Ｑ－１０．０５０．０４０．０３０．０２０．０１０．００５０２Ｐ２Ｐ Ｑ－１０．０４０．０２０．００Ｐ１１００１５０２００２５０３００３５０４００ｏＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ／ Ｃ图5晶须预制件经不同温度烧结后相应复合材料的阻尼-温度谱
Fig.5Dampingcapacitiesofthecoatedcompositesofwhiskerperformsinteredat530℃(a),830℃(b)and1000℃(c),
andC1,C2andC3composites(d)
５０１００１５０２００２５０ｏ３００３５０４００ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ／ Ｃ发生原位反应,将Bi引入到复合材料界面处.对于复合材料C1而言,由于预制件烧结温度较低,晶须与涂层并未发生反应.故在其复合材料的界面处存在Bi及未反应掉的Bi2O3.对于复合材料C2,由于预制件烧结温度的升高,引起晶须与涂层发生反应,故在其界面处除了Bi之外,还存在晶须与涂层之间的反应产物Al4B2O9.在复合材料C3中,由于预制件烧结温度最高,Bi2O3全部与晶须反应,因而在其界面处即没有Bi也没有Bi2O3,只有Al4B2O9存在.
研究[18]认为,阻尼峰P1是由位错阻尼及晶须/Bi的界面滑移引起的,阻尼峰P2是由Bi的熔化及晶须/Al的界面滑移引起的.由于在复合材料C2中引入了更多的低熔点相Bi(图2),从而导致无论是晶须/Bi的界面还是晶须/Al的界面滑移均更加容易,在载荷作用下引起更多的能量损耗,因而其阻尼容量在所测试的温度范围内最高.尽管Bi也存在于复合材料C1中,但含量相对较少,虽然仍有2个阻尼峰存在,但Bi对阻尼的贡献明显削弱,从而导致阻尼容量相对较低.而复合材料C3的阻尼容量始终处于一个较低的状态,直至温度接近300℃,其阻尼才超过复合材料C1的阻尼.这主要是由于在复合材料C3中未引入低熔点相Bi,因此不存在晶须/Bi的界
面滑移及Bi的熔化阻尼,同时由于晶须与涂层的反
应大大损耗了晶须,造成复合材料的界面较为粗糙,导致界面滑移的摩擦系数增加,界面滑移时的阻力增大,所以整体的阻尼较低;当温度接近300℃时,晶须/Al的界面滑移才对阻尼做贡献.
以往研究[22~25]表明,由于Al18B4O33晶须和基体Al热膨胀系数差异很大,当复合材料从高温冷却下来时,在复合材料的界面附近存在较大的残余应力,必然会在复合材料的基体中产生较高密度的位错.从图4可以看出,无论预制件以何种温度烧结,复合材料基体Al中均存在明显的位错.比较C1与C2中基体的位错组态,发现两者并未存在明显差异,因而位错对两者的贡献应该近似,然而比较C1和C2的阻尼峰P1发现,C2中的P1仍明显高于C1中的P1,显然这是由于两者间的Bi含量所引起的晶须/Bi的界面滑移对阻尼的贡献.在复合材料C3中位错组态呈胞状结构,位错出现了回复现象,表明位错可动性很低,因而位错对阻尼的贡献较小,加之不存在晶须/Bi的界面滑移阻尼,因而在该复合材料中没有P1峰出现.
4结论
(1)预制件烧结温度对Bi(OH)3涂覆Al18B4O33晶须增强铝复合材料微观组织有显著影响.随预制件烧结温度的升高,复合材料的界面相分别由单质
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Bi+非晶态a-Bi2O3,晶态b-Bi2O3+Al4B2O9以及单质Al4B2O9组成.
(2)当预制件烧结温度低于1000℃时,相应复合材料中存在2个阻尼峰(低温及高温阻尼),当预制件烧结温度为1000℃时,由于复合材料中基体位错可动性较低,且界面处不存在对阻尼有贡献的低熔点相Bi,因此仅存在一个高温阻尼峰.
(3)当预制件烧结温度为830℃时,由于更多的Bi被引入到相应复合材料中,故该种复合材料的阻尼容量在测试温度范围内始终保持最高.参考文献
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(责任编辑:肖素红)
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