CN101403061B - 压电陶瓷颗粒增强高阻尼铝基复合材料 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种复合材料技术领域的压电陶瓷颗粒增强高阻尼铝基复合材料。所述复合材料由基体铝合金和覆盖涂层的压电颗粒组成，覆盖涂层的压电颗粒体积百分比为20-60％，铝合金为余量。覆盖涂层的压电颗粒均匀分布于基体中，覆盖压电颗粒的涂层为由绝缘体或半导体构成的单涂层和由导体、绝缘体或导体、半导体构成的双涂层中的一种。本发明在铝基复合材料中引入了压电陶瓷颗粒，并且实现基于压电效应的新型高值阻尼机制—压电阻尼—机械能通过压电效应转化为电能，而电能通过压电颗粒外涂层构成的电阻回路转化为热能，最终热能耗散于外部环境中，最终所制备的复合材料结构致密，阻尼性能优异。

Description

压电陶瓷颗粒增强高阻尼铝基复合材料

技术领域

本发明涉及一种复合材料技术领域的铝基材料，具体地说，涉及的是一种压电陶瓷颗粒增强高阻尼铝基复合材料。

背景技术

铝基复合材料由于其高比强度、高比模量而受到广泛的应用。近年来，随着汽车和航空航天技术的发展，振动和噪声问题越来越突出，研发高阻尼铝基复合材料日益迫切。铝合金阻尼性能差，铝基复合材料通过添加第二相——引入界面阻尼，同时由于某些第二相材料的高本征阻尼性能从而拥有比基体材料高的阻尼性能。但现有的铝基复合材料，首先第二相种类少且都对复合材料阻尼性能贡献小，其次阻尼性能研究局限于传统阻尼机制(热弹性阻尼、位错阻尼、界面阻尼等)由此大大制约了铝基复合材料阻尼性能的提高。因此在铝基复合材料中引入新的第二相及开发新的阻尼机制是有效解决上述问题的关键。

压电陶瓷颗粒作为一种智能材料，可基于其特有的压电效应开发新型高值阻尼机制——压电阻尼(机械能通过压电效应转化为电能，电能通过某种途径转化为热能，热能耗散于外部环境中)，因此添加压电陶瓷颗粒作为铝基复合材料的第二相对开发高阻尼铝基复合材料有着广阔的前景。并且在聚合物基复合材料中，添加压电陶瓷颗粒对复合材料阻尼性能的影响成为了聚合物基复合材料阻尼性能研究的新热点，并且已于聚合物基复合材料中实现了基于压电效应的压电阻尼机制。而金属基复合材料，由于其基体与聚合物的极大差异并且两类复合材料制备方法的极大不同，导致了压电阻尼在金属基复合材料中至今没有实现，并且添加压电陶瓷颗粒对金属基复合材料阻尼性能的影响也鲜有报道。

经对现有技术的文献检索发现，Ikushi Yoshida等在《Journal of Alloysand Compounds》(2003，vol.355，pp.136-141)发表的“Damping properties ofmetal-piezoelectric composites”(《压电材料与金属的复合材料的阻尼性能》)一文中，为探索新阻尼机制而在金属基复合材料中首次引入压电陶瓷颗粒作为第二相，制备了钛酸铅颗粒与纯铜的复合材料，其阻尼性能(T＝300K，f＝2-3Hz，ε＝10^-4)为纯铜的3到5倍。文中只是简单地把钛酸铅与纯铜复合，利用钛酸铅陶瓷颗粒的本征阻尼性能和引入的界面阻尼来获得比基体高的阻尼性能，这与添加碳化硅颗粒或石墨颗粒等第二相的作用相同，并没有实现基于压电效应的压电阻尼机制，因此文中铜基复合材料的阻尼性能比现有铜基复合材料的阻尼性能提高有限。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种压电陶瓷颗粒增强高阻尼铝基复合材料，这种复合材料把覆盖涂层的压电陶瓷颗粒作为第二相，基于压电材料特有的压电效应，于复合材料中实现高值压电阻尼机制——机械能通过压电效应转化为电能，而电能通过压电颗粒外涂层构成的电阻回路转化为热能，最终热能耗散于外部环境中，由此提高复合材料的阻尼性能。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明所述的压电陶瓷颗粒增强高阻尼铝基复合材料，由基体铝合金和覆盖涂层的压电颗粒组成，它们的体积百分比为：覆盖涂层的压电颗粒20-60％，其余为铝合金。

所述的覆盖涂层的压电颗粒，其中压电颗粒为钛酸钡、钛酸铅、锆钛酸铅、铌酸锂、钽酸锂中的一种。

所述的覆盖涂层的压电颗粒，其中覆盖涂层为由绝缘体或半导体构成的单涂层和由导体、绝缘体或导体、半导体构成的双涂层中的一种。

所述的由绝缘体或半导体构成的单涂层由现有技术中的溶胶凝胶法、电镀、化学镀、PVD、CVD中的一种制得，其厚度为0.5-3μm，该涂层包覆压电颗粒，涂层连续均匀，结合良好。

所述的由导体、绝缘体或导体、半导体构成的双涂层，导体层在内，由现有技术中的溶胶凝胶法、电镀、化学镀、PVD、CVD中的一种制得，厚度为0.5-3μm，包覆压电颗粒，涂层连续均匀；绝缘体层或半导体层在外，由现有技术中的溶胶凝胶法、电镀、化学镀、PVD、CVD中的一种制得，厚度为0.5-3μm，包覆导体层，涂层连续均匀。

所述的覆盖涂层的压电颗粒均匀分布于基体中，与基体界面干净，结合良好。

本发明所述的压电陶瓷颗粒增强高阻尼铝基复合材料由现有技术中的压力浸渗、粉末冶金、搅拌铸造中的一种制得。

与现有技术相比，本发明在铝基复合材料中引入了新的第二相——压电陶瓷颗粒，并且实现新型阻尼机制——压电阻尼，解决了铝基复合材料阻尼性能差的问题。本发明把覆盖涂层的压电颗粒作为铝基复合材料的第二相，基于压电材料特有的压电效应，于复合材料中实现高值压电阻尼机制，从而提高铝基复合材料的阻尼性能。对于覆盖由绝缘体或半导体构成的单涂层压电颗粒增强铝基复合材料其理论损耗因子峰值(室温、中高频、低应变)为0.02-0.06，是相同测试条件下基体损耗因子峰值的20-40倍；对于覆盖由导体、绝缘体或导体、半导体构成的双涂层压电颗粒增强铝基复合材料其理论损耗因子峰值(室温、低频、低应变)为0.03-0.14，是相同测试条件下基体损耗因子峰值的10-40倍。最终所制得的复合材料结构致密，具有优异的阻尼性能。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

以下实施例中使用的基体铝合金，组分及其重量百分比为：10-13％Si，杂质≤0.2％，其余为Al；使用的铌酸锂、钽酸锂颗粒为九江市金鑫有色金属有限公司生产，粒径为15-60μm；使用的钛酸钡、钛酸铅颗粒为无锡市鹅湖电器设备销售有限公司生产，粒径为10μm-35μm。

实施例1 二氧化硅涂层铌酸锂颗粒增强铝基复合材料

本实施例为覆盖绝缘体单涂层压电陶瓷颗粒增强铝基复合材料。

本实施例中二氧化硅涂层铌酸锂颗粒的体积分数为40％，其余为铝合金。

本实施例中包覆铌酸锂颗粒的二氧化硅涂层由现有技术中的凝胶溶胶法制得，其厚度为0.8μm，涂层连续均匀，与铌酸锂颗粒结合良好。

本实施例中二氧化硅涂层铌酸锂颗粒增强铝基复合材料由现有技术中的搅拌铸造法制得。

所制得的复合材料，二氧化硅涂层铌酸锂颗粒均匀分布于基体中，与基体界面干净，结合良好，复合材料结构致密，典型阻尼性能为：室温，ε＝10^-4，f＝500Hz，tan δ＝0.042(相同测试条件下的基体阻尼性能为tan δ＝0.0016)。

实施例2 二氧化硅涂层锆钛酸铅颗粒增强铝基复合材料

本实施例为覆盖绝缘体单涂层压电陶瓷颗粒增强铝基复合材料。

本实施例中二氧化硅涂层锆钛酸铅颗粒的体积分数为60％，其余为铝合金。

本实施例中包覆锆钛酸铅颗粒的二氧化硅涂层由现有技术中的凝胶溶胶法制得，其厚度为1.5μm，涂层连续均匀，与锆钛酸铅颗粒结合良好。

本实施例中二氧化硅涂层锆钛酸铅颗粒增强铝基复合材料由现有技术中的搅拌铸造法制得。

所制得的复合材料，二氧化硅涂层锆钛酸铅颗粒均匀分布于基体中，与基体界面干净，结合良好，复合材料结构致密，典型阻尼性能为：室温，ε＝10^-4，f＝600Hz，tan δ＝0.056(相同测试条件下的基体阻尼性能为tan δ＝0.0014)。

实施例3 二氧化钛涂层钛酸钡颗粒增强铝基复合材料

本实施例为覆盖半导体单涂层压电陶瓷颗粒增强铝基复合材料。

本实施例中二氧化钛涂层钛酸钡颗粒的体积分数为20％，其余为铝合金。

本实施例中包覆钛酸钡颗粒的二氧化钛涂层由现有技术中的凝胶溶胶法制得，其厚度为1μm，涂层连续均匀，与钛酸钡颗粒结合良好。

本实施例中二氧化钛涂层钛酸钡颗粒增强铝基复合材料由现有技术中的粉末冶金法制得。

所制得的复合材料，二氧化钛涂层钛酸钡颗粒均匀分布于基体中，与基体界面干净，结合良好，复合材料结构致密，典型阻尼性能为：室温，ε＝10^-4，f＝20kHz，tan δ＝0.012(相同测试条件下的基体阻尼性能为tan δ＝0.0005)。

实施例4 二氧化钛涂层钛酸铅颗粒增强铝基复合材料

本实施例为覆盖半导体单涂层压电陶瓷颗粒增强铝基复合材料。

本实施例中二氧化钛涂层钛酸铅颗粒的体积分数为40％，其余为铝合金。

本实施例中包覆钛酸铅颗粒的二氧化钛涂层由现有技术中的凝胶溶胶法制得，其厚度为2μm，涂层连续均匀，与钛酸铅颗粒结合良好。

本实施例中二氧化钛涂层钛酸铅颗粒增强铝基复合材料由现有技术中的粉末冶金法制得。

所制得的复合材料，二氧化钛涂层钛酸铅颗粒均匀分布于基体中，与基体界面干净，结合良好，复合材料结构致密，典型阻尼性能为：室温，ε＝10^-4，f＝10kHz，tan δ＝0.022(相同测试条件下的基体阻尼性能为tan δ＝0.0006)。

实施例5 铜、二氧化硅双涂层铌酸锂颗粒增强铝基复合材料

本实施例为覆盖导体、绝缘体双涂层压电陶瓷颗粒增强铝基复合材料。

本实施例中铜、二氧化硅双涂层铌酸锂颗粒的体积分数为40％，其余为铝合金。

本实施例中包覆铌酸锂颗粒双涂层中的铜层在内，由现有技术中的化学镀法制得，涂层厚0.6μm，连续均匀，与铌酸锂颗粒结合良好；双涂层中的二氧化硅涂层在外，由现有技术中的凝胶溶胶法制得，其厚度为1μm，涂层连续均匀，与铜层结合良好。

本实施例中铜、二氧化硅双涂层铌酸锂颗粒增强铝基复合材料由现有技术中的压力浸渗法制得。

所制得的复合材料，铜、二氧化硅双涂层铌酸锂颗粒均匀分布于基体中，与基体界面干净，结合良好，复合材料结构致密，典型阻尼性能为：室温，ε＝10^-4，f＝1Hz，tan δ＝0.082(相同测试条件下的基体阻尼性能为tan δ＝0.004)。

实施例6 铜、二氧化硅双涂层钽酸锂颗粒增强铝基复合材料

本实施例为覆盖导体、绝缘体双涂层压电陶瓷颗粒增强铝基复合材料。

本实施例中铜、二氧化硅双涂层钽酸锂颗粒的体积分数为60％，其余为铝合金。

本实施例中包覆钽酸锂颗粒双涂层中的铜层在内，由现有技术中的化学镀法制得，涂层厚1μm，连续均匀，与钽酸锂颗粒结合良好；双涂层中的二氧化硅涂层在外，由现有技术中的凝胶溶胶法制得，其厚度为3μm，涂层连续均匀，与铜层结合良好。

本实施例中铜、二氧化硅双涂层钽酸锂颗粒增强铝基复合材料由现有技术中的压力浸渗法制得。

所制得的复合材料，铜、二氧化硅双涂层钽酸锂颗粒均匀分布于基体中，与基体界面干净，结合良好，复合材料结构致密，典型阻尼性能为：室温，ε＝10^-4，f＝1Hz，tan δ＝0.135(相同测试条件下的基体阻尼性能为tan δ＝0.004)。

实施例7铜、二氧化钛双涂层铌酸锂颗粒增强铝基复合材料

本实施例为覆盖导体、半导体双涂层压电陶瓷颗粒增强铝基复合材料。

本实施例中铜、二氧化钛双涂层铌酸锂颗粒的体积分数为20％，其余为铝合金。

本实施例中包覆铌酸锂颗粒双涂层中的铜层在内，由现有技术中的化学镀法制得，涂层厚0.5μm，连续均匀，与铌酸锂颗粒结合良好；双涂层中的二氧化钛涂层在外，由现有技术中的凝胶溶胶法制得，其厚度为3μm，涂层连续均匀，与铜层结合良好。

本实施例中铜、二氧化钛双涂层铌酸锂颗粒增强铝基复合材料由现有技术中的搅拌铸造法制得。

所制得的复合材料，铜、二氧化钛双涂层铌酸锂颗粒均匀分布于基体中，与基体界面干净，结合良好，复合材料结构致密，典型阻尼性能为：室温，ε＝10^-4，f＝80Hz，tan δ＝0.032(相同测试条件下的基体阻尼性能为tan δ＝0.003)。

Claims (4)

1.一种压电陶瓷颗粒增强高阻尼铝基复合材料，其特征在于，由基体铝合金和覆盖涂层的压电颗粒组成，覆盖涂层的压电颗粒的体积百分比为：20-60％，铝合金为余量，其中：

所述覆盖涂层为以下两种结构中的任意一种：

a)由绝缘体或半导体构成的单涂层；

b)由导体、绝缘体或导体、半导体构成的双涂层；

所述压电颗粒为钛酸钡、钛酸铅、锆钛酸铅、铌酸锂、钽酸锂中的一种；

所述的由导体、绝缘体或导体、半导体构成的双涂层，其中导体层在内，绝缘体层或半导体层在外。

2.根据权利要求1所述的压电陶瓷颗粒增强高阻尼铝基复合材料，其特征是，所述的由绝缘体或半导体构成的单涂层，其厚度为0.5-3μm，该涂层包覆压电颗粒，涂层连续均匀。

3.根据权利要求1所述的压电陶瓷颗粒增强高阻尼铝基复合材料，其特征是，所述的导体层厚度为0.5-3μm，包覆压电颗粒，涂层连续均匀。

4.根据权利要求1所述的压电陶瓷颗粒增强高阻尼铝基复合材料，其特征是，所述的绝缘体层或半导体层厚度为0.5-3μm，包覆导体层，涂层连续均匀。