无定形碳纤维增强超硬铝复合材料阻尼性能研究

论文摘要

本文以研制和开发功能结构一体化的高阻尼复合材料为目的,研究了采用粉末冶金和热挤压工艺制备的Meso-10超硬铝合金和XN-05无定形碳纤维增强的Meso-10铝基复合材料的力学与阻尼性能。利用金相显微镜（OM）和扫描电子显微镜（SEM）对复合材料中纤维的分布及拉伸断口进行微观组织观察,利用透射电子显微镜（TEM）对复合材料的界面结构和位错组态进行了分析;通过拉伸试验和硬度试验评价材料的力学性能;采用动态机械分析仪（DMA-Q800）研究材料的低频阻尼性能随应变振幅和温度的变化规律;确定材料的固溶时效工艺并研究固溶时效对材料力学和阻尼性能的影响;采用有限元法对多纤维增强铝基复合材料的室温阻尼性能进行数值模拟,并且对本文中的低模量碳纤维增强铝基复合材料的阻尼机制进行综合分析。揭示了超硬铝基复合材料低频阻尼行为的变化规律及其影响因素,为开发高阻尼、高性能铝基复合材料奠定了良好的基础。研究结果表明,碳纤维均匀地分布在Meso-10Al基体中,并且在增强体与基体之间没有发现界面反应,铝合金与碳纤维是弱界面结合。随着碳纤维体积分数的增加,复合材料力学性能逐渐下降,但由于基体材料为超硬铝合金,体积分数为10%与15%的复合材料的力学性能仍能满足工程应用的需要。对室温下挤压态材料的阻尼-应变曲线研究表明,铝合金及复合材料的阻尼性能对应变振幅表现出独立和依赖两个方面,符合G-L位错阻尼机制,频率对复合材料的阻尼-应变谱影响不大;10%和15%的复合材料具有比基体合金好的阻尼性能,25%复合材料的阻尼性能反而比基体合金的差。对阻尼-温度-频率曲线的研究表明,铝基复合材料的阻尼性能随温度的升高而增加,随频率的降低而增加,复合材料在250℃左右,均出现界面内耗峰。对固溶时效后的材料进行力学和阻尼性能测试,发现140℃时效的材料力学性能和阻尼性能改善最明显,力学性能提高35%,阻尼值增加1倍;固溶时效后复合材料在150℃（P1）和250℃（P2）左右均出现峰值,认为P1是由位错拖拽点缺陷运动造成的,P2是由晶界和界面滑移引起的,具有热激活特征。采用有限元法对多纤维增强复合材料的室温阻尼性能进行数值模拟,发现室温阻尼是基体材料在外加循环载荷的作用下,发生局部塑性变形,消耗能量造成的,符合G-L位错阻尼机制,模拟数据与试验结果很好的相符。数值模拟结合试验手段综合分析材料的微观阻尼机制发现,低温时,XN-05C/Meso-10Al复合材料以位错阻尼和增强纤维的本征阻尼为主导机制,高温时,以合金的本征阻尼和界面滑移机制为主导机制。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及研究意义
• 1.2 材料阻尼性能的表征与测量
• 1.2.1 材料的阻尼
• 1.2.2 材料阻尼性能的表征
• 1.2.3 材料阻尼性能的测量
• 1.3 金属及MMCs的阻尼性能
• 1.3.1 金属及MMCs的阻尼性能研究现状
• 1.3.2 金属及MMCs的阻尼机制
• 1.3.3 MMCs阻尼性能的影响因素
• 1.4 铝基复合材料阻尼性能研究现状
• 1.5 阻尼性能的数值模拟
• 1.6 主要研究内容
• 第2章 试验材料及试验方法
• 2.1 试验材料
• 2.2 固溶时效处理
• 2.3 材料性能测试
• 2.3.1 硬度测试
• 2.3.2 室温拉伸性能测试
• 2.3.3 阻尼性能测试
• 2.4 材料的组织结构分析表征
• 2.4.1 差热扫描分析
• 2.4.2 X-射线衍射分析
• 2.4.3 金相组织观察
• 2.4.4 扫描电子显微组织观察
• 2.4.5 透射电子显微组织观察
• f/Al复合材料的组织与阻尼性能分析'>第3章 挤压态C_f/Al复合材料的组织与阻尼性能分析
• 3.1 挤压态材料的微观组织分析
• 3.2 体积分数对挤压态材料力学性能的影响
• 3.2.1 体积分数对材料硬度的影响
• 3.2.2 体积分数对材料拉伸性能的影响
• 3.3 挤压态材料阻尼性能研究
• 3.3.1 测试参数的确定
• 3.3.2 挤压态材料的阻尼-应变谱
• 3.3.3 挤压态材料的阻尼-温度谱
• 3.4 本章小结
• f/Al复合材料固溶时效处理及其对阻尼性能的影响'>第4章 C_f/Al复合材料固溶时效处理及其对阻尼性能的影响
• 4.1 固溶时效工艺的确定
• 4.2 复合材料室温拉伸性能变化规律
• 4.3 时效析出相的确定
• 4.4 固溶时效对材料阻尼性能的影响
• 4.4.1 淬火态材料的阻尼性能
• 4.4.2 120℃时效后材料的阻尼性能
• 4.4.3 140℃时效后材料的阻尼性能
• 4.4.4 不同热处理态复合材料的阻尼性能比较
• 4.5 本章小结
• 第5章 阻尼性能的数值模拟与微观机制的分析
• 5.1 引言
• 5.2 室温阻尼性能模拟计算的原理
• 5.3 计算模型及有限元结果的后处理
• 5.4 结果与讨论
• 5.4.1 室温阻尼性能的模拟与结果分析
• 5.4.2 淬火应力的模拟结果与分析
• 5.4.3 残余应力对室温阻尼性能的影响
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢