[發明專利]顆粒增強阻尼多孔鎳鈦記憶合金基復合材料的制備方法

無效

• 申請號: 200810219444.9
• 申請日: 2008-11-26
• 公開（公告）號: CN101440439A
• 公開（公告）日: 2009-05-27
• 發明（設計）人: 張新平;李大圣;熊志鵬
• 申請（專利權）人: 華南理工大學
• 主分類號: C22C1/04
• 分類號: C22C1/04;C22C1/08
• 代理公司: 廣州市華學知識產權代理有限公司
• 代理人: 李衛東

技術領域

本發明涉及高阻尼材料的制備技術，特別是涉及具有阻尼特性好、輕質、高強和超彈性性能穩定的多孔鎳鈦記憶合金基復合材料制備方法。

背景技術

隨著工業化和社會的發展，對各種交通和運載工具、生產器械和機具等產生的振動、沖擊和噪聲等危害進行控制愈來愈引起人們的重視，材料和結構的阻尼能力已經成為評價材料性能的一項重要指標。材料的阻尼能力是指其能夠快速地將機械振動及沖擊和噪聲等能量衰減的一種性能。尤其是近年來，隨著航空、航天技術的快速發展以及在高臨界參數條件下服役的結構和部件迅猛增加，對同時具有優異阻尼性能、高力學強度及優異可回復變形能力的輕質材料有很強的需求。但目前已應用的主流阻尼材料，無論是聚合物類系(包括橡膠類)粘彈性阻尼材料還是金屬系阻尼材料，均很難同時滿足上述要求，尤其是材料的強度與阻尼性能常常是相互矛盾的，阻尼越大，則強度越低，反之亦然。

鎳鈦形狀記憶合金則具備包括優異阻尼能力在內的良好的綜合性能，能夠滿足上述要求。研究表明，材料組織中的微觀缺陷在其阻尼響應中具有至關重要的作用；鎳鈦形狀記憶合金在應力誘發相變過程產生的大量界面(包括不同變體間的界面、孿晶界面和母相-馬氏體相界面等)的非彈性運動以及遲滯效應和可變剛性等特點是造成鎳鈦記憶合金高阻尼能力的主要原因。將鎳鈦形狀記憶合金的阻尼行為或能力應用到結構件中，能夠較好地實現對能量傳遞、振動和噪聲等的控制，延長結構件的使用壽命。一般馬氏體的內耗可達6-8％，在沖擊載荷下則可達到10％以上。此外，鎳鈦記憶合金所具有的超彈性變形能力也可以起到很好的阻尼效應及能量吸收效果。

鎳鈦記憶合金雖具有優異的阻尼性能，但面對更多樣性的應用以及更苛刻的使用條件，仍有一些問題需要解決。比如，鎳鈦記憶合金較高的密度(約6.5g/cm³)對需要輕質材料的航空航天應用以及用于高速回轉和高速運載機具中結構器件而言還是一個很大的問題；如何在保證優異的綜合力學性能(包括阻尼能力)的前提下明顯降低合金密度，是非常具有挑戰性的材料研發問題。

從實現輕質方面看，將鎳鈦記憶合金制成多孔結構被認為是一個好的途徑。多孔鎳鈦記憶合金中微孔結構的存在使其具有獨特的阻尼性能，具有致密鎳鈦合金所沒有的體積記憶效應。但近期研究表明，普通多孔鎳鈦合金的絕對阻尼值明顯低于致密鎳鈦記憶合金，而且孔隙率增加可導致阻尼能力下降，這與研究其它輕質多孔泡沫鋁和泡沫鎂阻尼性能時得到的結論不同。另外，孔隙的存在降低了鎳鈦合金的承載能力和線性超彈性能力，孔隙率越高，多孔鎳鈦合金的壓縮強度越低，超彈性能力也變差；多孔鎳鈦合金相對其致密態而言，對外界環境的抗蝕性也較差。因此，開發一種輕質、阻尼性能優良且力學性能穩定的高阻尼合金成為開發高阻尼材料的研究熱點之一。

從材料宏觀組成來看，普通多孔鎳鈦合金主要由本征阻尼很高的鎳鈦基體和大量孔隙構成，孔隙是空氣介質，而空氣的本征阻尼很低。從現有的阻尼材料來看，單一材料很難同時具有輕質、阻尼性能優異且力學性能穩定等特點。因此，采取材料復合方式是最佳選擇。多孔鎳鈦合金的阻尼能力和力學性能雖不如致密鎳鈦合金，但向多孔鎳鈦合金基體中加入調控材料來替代(或部分替代)孔隙可使阻尼源增加，形成一種高阻尼復合材料，也能提高多孔鎳鈦合金的力學性能。按照上述設計，向多孔鎳鈦記憶合金基體中加入調控材料后，鎳鈦合金基體受到外加材料的限制而使馬氏體相變在一種約束條件下進行，馬氏體變體間的滑移也會受到一定影響，其阻尼行為也將發生相應變化。與其它復合材料相比，因鎳鈦記憶合金所具有的特殊阻尼性能，鎳鈦基體和阻尼調控相之間的耦合作用將使這種復合材料顯示出獨特的阻尼功能性，與其它形狀記憶合金相比有很大不同。

非金屬硅的密度(2.33g/cm³)很小，是一種經常被用于制備高阻尼材料所需的合金元素，而氧化鋁(3.9g/cm³)也是生產高強度金屬基復合材料的一種常用增強體。本發明將上述兩種低密度材料與具有高阻尼能力的鎳鈦記憶合金結合起來，特別是在鎳鈦合金馬氏體狀態下使用時可顯著發揮其優良阻尼特性，復合材料的力學性能也相應提高。

綜上所述，在多孔鎳鈦記憶合金中引入低密度、微米級的調控材料對提高其阻尼能力和力學性能有明顯促進作用；通過發展出完整的材料制備工藝和技術，用于輕質、高強能量吸收器件的制造，具有非常重要的科學研究價值和良好的工程應用前景。

發明內容