郑兴璋，曹卓坤，张志刚

(东北大学 1.多金属共生矿生态化冶金教育部重点实验室； 2.冶金学院，沈阳 110819)

为了兼顾汽车的轻量化和安全性，现如今已有使用泡沫铝作为汽车的结构材料[1].同时，为了减少汽车车身的机械振动，提高汽车的舒适性，泡沫铝结构功能一体化的特性受到了越来越多的关注，其中泡沫铝的阻尼性能成为了一个重要的研究方向[2].

与块状铝材料相比，泡沫铝材料由于存在大量的泡孔结构，具备更优异的阻尼性能[3].研究者们分别探索了SiC、粉煤灰颗粒和碳纳米管增强铝基复合泡沫的阻尼性能，结果表明铝基体和增强相之间存在的大量界面微滑移能够改善泡沫铝材料的阻尼性能[4-6].在铝基复合泡沫中，相界面可以导致大量的界面微滑移，显著影响泡沫材料的阻尼性能[5,7].

在Al-TiB2复合泡沫中，细小弥散的TiB2颗粒和基体之间有着大量且清晰的相界面[8]，因此TiB2颗粒是一种理想的铝基复合泡沫的增强相.目前关于Al-TiB2复合泡沫的研究主要集中在力学性能上，而对其阻尼性能的研究报道几乎没有.为了促进铝基复合泡沫结构功能一体化的发展，对Al-TiB2复合泡沫阻尼性能的研究是十分急迫且有必要的.本研究以原位生成的Al-TiB2合金为基体，在不同的正压条件下制备出具有不同泡孔结构特征的Al-TiB2复合泡沫，重点研究了TiB2的添加和孔隙率对Al-TiB2复合泡沫阻尼性能的影响.

1 实 验

1.1 样品制备

以纯铝或者含质量分数7%原位生成TiB2增强的铝合金为基体材料，在坩埚炉中700 ℃温度下熔化；加入质量分数为1%的金属钙进行搅拌以实现增黏作用，然后加入质量分数为1.5%的氢化钛，搅拌均匀后置于不同正压压力下进行发泡；最后取出冷却制备得到泡沫材料.

1.2 性能测试

使用山东联工CMT-500力学万能试验机对30 mm×30 mm×30 mm的正方体泡沫材料进行准静态压缩测试，压缩速率为2 mm/min.对于待测样品的阻尼性能，使用TA-Q800型动态热机械分析仪对55 mm×10 mm×5 mm泡沫样品的损耗因子tanδ进行测量，其中tanδ是样品的耗能模量E″与储能模量(有效杨氏模量)E′的比值[9]，是一个0～1之间的常数，其数值越大，材料的阻尼性能越高.具体的阻尼性能测试过程如下：基于三点弯曲模式，使用TA-Q800对样品加载周期性振动，振幅和频率分别为20 μm及1 Hz；为了考察温度对样品阻尼性能的影响，在施加振动的同时将样品以5 ℃/min的升温速率从室温升温至400 ℃.

1.3 材料表征

样品的孔隙率P按照公式P=1-ρ*/ρs进行计算，其中ρ*和ρs分别为泡沫样品的密度和基体材料的密度；使用Quanta 250 FEG型场发射扫描电镜对泡沫材料样品的微观形貌进行分析；使用AL-μCT-90型电子计算机断层扫描(computed tomography，CT)对30 mm×30 mm×30 mm的正方体Al-TiB2复合泡沫进行断层扫描，并且使用VGSTUDIO MAX3.4.3软件对扫描得到的数据进行三维重建，并进行分层二维切片.

2 实验结果与讨论

2.1 宏观孔结构分析

表1 纯铝泡沫及复合泡沫的宏观结构表征数据Table 1 Macroscopic structural characterization datas of pure aluminum foam and Al-TiB2 composite foam

图1是不同孔隙率的Al-TiB2复合泡沫的宏观孔结构量化图.在图1中，柱状图表明随着孔隙率的降低，复合泡沫中直径较大的孔的数量减少甚至消失，泡孔的平均直径也随之降低.相对应的，图中左上角的三种不同孔隙率复合泡沫的彩色二维切片也表明随着孔隙率的降低，复合泡沫的孔形变得更加规则且近似圆球形.在本研究中，为了表征泡孔的形状及规则程度，还在表1中引入了泡孔球形度和纵横比的概念[10].球形度为泡孔形状接近球形的程度，为0～1之间的常数，其值越大，泡孔越接近球形.纵横比为泡孔中最长轴与最短轴的比值，为不小于1的值，其值越小，泡孔越接近球形.从表1中可以发现，随着正压发泡过程中加压压力的增大，球形度值逐渐增大，纵横比逐渐减小，表明泡孔更加接近圆球形，这主要与重力排液和气泡凝聚现象的减少有关[11].

为了量化单位质量的Al-TiB2复合泡沫中内外部孔的面积之和，引入了一个记为比表面积α的物理量：

α=Sf/M

(1)

式中，Sf和M分别是被扫描的30 mm×30 mm×30 mm立方体样品的内外部面积之和及质量.比表面积的具体结果如图1和表1所示.从图1和表1中可以看出，孔隙率越高的复合泡沫样品具有更高的比表面积.

图1 三种孔隙率下Al-TiB2复合泡沫的3D重建二维切片图、比表面积折线图和孔径分布图Fig.1 2D slice of 3D reconstruction of Al-TiB2 composite foam with three porosity, line chart of specific surface and diameter distribution of cells

2.2 泡沫材料力学性能分析

图2为纯铝泡沫及三种不同孔隙率下Al-TiB2复合泡沫准静态压缩应力-应变曲线，具体的准静态压缩性能数据如表2所示.综合图2及表2可以看出，在孔隙率接近的条件下，Al-TiB2复合泡沫具有比纯铝泡沫更高的屈服强度和杨氏模量，表明原位生成的TiB2颗粒有效增强了泡沫铝的力学性能，这也与之前的研究相符合[12].如图2中的三种孔隙率下Al-TiB2复合泡沫的应力-应变曲线及表2结果所示，随着孔隙率的增大，Al-TiB2复合泡沫的屈服点前移，屈服强度和刚度下降，力学性能表现出了一定程度的下降.

图2 纯铝泡沫及不同孔隙率下Al-TiB2复合泡沫的应力-应变曲线Fig.2 Stress-strain curves of pure aluminum foam and Al-TiB2 composite foams with different porosity

2.3 TiB2的添加对泡沫铝材料阻尼性能的影响

图3为具有相似孔隙率的纯铝泡沫和Al-TiB2复合泡沫的损耗因子(tanδ)随温度变化趋势图.从表1中可以发现，具有相似孔隙率的纯铝泡沫和Al-TiB2复合泡沫具有相似的球形度和纵横比，意味着二者具有相似的孔形.从图3中可以看到，在孔隙率和孔形相似的情况下，在整个测试温度范围内，与纯铝泡沫材料相比，Al-TiB2复合泡沫的损耗因子提升了35%～80%.在循环载荷的作用下，除了铝基体中本身固有的内耗源[13]，TiB2颗粒增强相的添加也引入了一些新的内耗源[14].

表2 纯铝泡沫及Al-TiB2复合泡沫准静态压缩性能Table 2 Quasi-static compressive properties of pure aluminum foam and Al-TiB2 composite foams

图3 相似孔隙率的纯铝泡沫与Al-TiB2复合泡沫损耗因子随温度变化趋势图Fig.3 Temperature dependence of loss factor of pure aluminum foam and Al-TiB2 composite foam with similar porosity

图4为Al-TiB2复合泡沫的微观形貌和元素面分布图.由图4(a)～(d)可知，(a)中棒状及多边形颗粒为TiB2，均匀分散在灰色的铝基体中.在图4(e)的放大2万倍的SEM图像中，单个TiB2颗粒呈现为平均边长约2 μm的多边形.由于更小的体积和更复杂的形状，TiB2颗粒和铝基体之间有更多的相界面.并且，由于TiB2颗粒是原位生成的，两相的相界面非常清晰，这点与异位生成的增强相有较大不同.

图4 Al-TiB2复合泡沫的SEM和EDS图Fig.4 SEM and EDS micrographs of Al-TiB2 composite foam(a)—Al-TiB2基体SEM图；(b)—Al分布；(c)—Ti分布；(d)—B分布；(e)—单个TiB2颗粒SEM图.

Al-TiB2复合泡沫中，在增强相和基体的相界面附近存在着密集的位错网络.由于TiB2颗粒和铝基体之间存在着热失配，导致复合泡沫凝固过程中在相界面附近产生大量的位错.这些相界面附近的位错网络便是Al-TiB2复合泡沫在低温下的主要内耗源[15].在较高的温度(小于400 ℃)下，TiB2颗粒由于熔点高，几乎无变化，但铝基体由于熔点相对较低，明显变柔软，界面因素便成为了主要的内耗源[16].从图4中可以看到，TiB2颗粒复杂的多边形形状及更小的尺寸(2 μm)可以产生大量的位错网络和相界面，增加振动过程中的内耗源，从而提高Al-TiB2复合泡沫的阻尼性能.

2.4 孔隙率对Al-TiB2复合泡沫阻尼性能的影响

图5为不同孔隙率下Al-TiB2复合泡沫的损耗因子随温度变化趋势图.从图5(a)中可以看到，储能模量(E′)即有效杨氏模量随着Al-TiB2复合泡沫孔隙率的增大而降低，说明试样的刚度下降[9].由图5(b)中三条曲线可以看出，在整个升温区间内，孔隙率更高的复合泡沫具有更高的损耗因子.在循环载荷的作用下，更低的刚度导致泡孔周边更容易发生塑性微变形，进而消耗更多的能量[17].

图5 不同孔隙率下Al-TiB2复合泡沫的阻尼性能Fig.5 Damping capacity of Al-TiB2 composite foams with different porosity(a)—储能模量/耗能模量-温度曲线；(b)—损耗因子-温度曲线.

由于在泡孔附近存在着应力集中和模式转换，任何形状的泡孔都可以增加多孔材料的阻尼性能[3,18].孔棱的弯曲和孔壁与孔棱的褶皱使得泡孔附近存在应力集中，因此数量更多并且形状更复杂的孔可以提供更多的应力集中和模式转换[19].根据图1和表1，随着发泡过程中加压压力的降低，Al-TiB2复合泡沫孔隙率增大，并且孔形变得更加不规则且偏离球形.因此，在较低的压力下发泡制得的高孔隙率Al-TiB2复合泡沫具有更高的损耗因子.

综上所述，孔隙率更高的Al-TiB2复合泡沫具有更高的阻尼性能.与此同时，在表1中，由于样品中泡孔密度的增大和泡孔形状的复杂化加深，复合泡沫样品的比表面积也随着孔隙率的增大而增大[20].因此，比表面积可以用来指示由应力集中和模式转换所导致的内耗源的数量[21].但是相对于开孔泡沫铝，由于孔结构的封闭性，闭孔泡沫铝的比表面积具体数值难以获得，本研究中结合CT设备与VGSTUDIO MAX3.4.3软件，在图1中具体且定量地统计了闭孔Al-TiB2复合泡沫的比表面积，并将结果体现在表1中；可以看到，随着比表面积的增大，低温区Al-TiB2复合泡沫的损耗因子明显增大.

如以上所论，Al-TiB2复合泡沫的内耗源主要包括以下三个因素：

E=EM+ETB+Eα

(2)

式中，E是复合泡沫的所有内耗源；EM是由基体材料中固有的位错和晶界的运动所导致的内耗源；ETB是由TiB2颗粒的添加所导致的内耗源，主要包括相界面附近位错网络的运动及高温下相界面的相对滑动所导致的能量损耗，同时也是导致原位生成的Al-TiB2复合泡沫的损耗因子大于纯铝泡沫的主要因素；Eα是由孔结构所导致的内耗源，随着复合泡沫的孔隙率和比表面积的增大，损耗因子近似线性地增加.

3 结 论

(1)随着外加压力的增大，Al-TiB2复合泡沫材料的孔隙率逐渐减小，泡孔逐渐接近规则的圆球形，材料的屈服强度和杨氏模量逐渐增大，比表面积和损耗因子逐渐降低.

(2)原位生成TiB2颗粒与铝基体之间存在大量的相界面，不仅可以增强泡沫铝材料的力学性能，还可显著提高其阻尼性能.

(3)Al-TiB2复合泡沫有复杂的阻尼机制，其内耗源主要来自铝基体内部的位错和晶界运动、TiB2颗粒周边的位错网络和相界面滑移，以及孔结构周边的应力集中和模式转换.