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多壁碳纳米管与氧化铝颗粒混杂增强铝基复合材料阻尼特性及机制的深度剖析

一、引言

1.1研究背景与意义

随着现代工业的飞速发展，对材料性能的要求日益严苛。铝基复合材料（AluminumMatrixComposites，AMCs）作为一种新型材料，以其独特的优势在众多领域得到了广泛应用。铝合金本身具有密度低、耐腐蚀性好、延展性高和熔点低等优良性能，是一种常用的轻金属，在航天航空、汽车工业、电子工业等领域用量巨大。然而，其力学性能较差的局限性，限制了它在更多领域的应用。通过在铝合金中添加增强体形成铝基复合材料，不仅能提高材料的弹性模量（刚度），还能改善材料的强度、硬度、摩擦、磨损性能等，以满足现代产业对材料更高的要求。

在实际应用中，材料的阻尼性能至关重要。阻尼性能是指材料在振动过程中，由于内部原因将机械振动能转化为热能而耗散的能力。良好的阻尼性能可以有效减少结构的振动和噪声，提高结构的稳定性和可靠性。例如，在航空航天领域，飞行器在飞行过程中会经历各种复杂的力学环境，振动和冲击会对飞行器的结构和设备造成严重影响。使用具有高阻尼性能的材料，可以有效降低振动和冲击对飞行器的损害，提高飞行的安全性和可靠性。在汽车工业中，阻尼材料可以减少汽车行驶过程中的振动和噪声，提高乘坐的舒适性。

多壁碳纳米管（Multi-WalledCarbonNanotubes，MWCNTs）和氧化铝颗粒（AluminaParticles，Al_2O_3）作为两种性能优异的增强体，在增强铝基复合材料性能方面展现出独特的优势。碳纳米管具有超强的力学性能，其拉伸强度是碳纤维的10倍，模量比碳纤维高50%，同时还具有极低的膨胀系数以及优异的导热和导电性能，被认为是最理想的复合材料增强体之一。将碳纳米管添加到铝基复合材料中，可以显著提高材料的强度、硬度和耐磨性。氧化铝颗粒则具有高硬度、高强度、耐高温、耐腐蚀等优点。在铝基复合材料中加入氧化铝颗粒，能够有效提高材料的硬度、弹性模量和耐磨性。

当将多壁碳纳米管和氧化铝颗粒混杂作为增强体加入铝基复合材料中时，有望实现两者优势的互补，进一步提升复合材料的综合性能。一方面，碳纳米管的高韧性和高导电性可以弥补氧化铝颗粒脆性较大的不足，提高复合材料的韧性和导电性能；另一方面，氧化铝颗粒的高硬度和高强度可以增强复合材料的硬度和强度，与碳纳米管共同作用，使复合材料具有更优异的力学性能。此外，两者的混杂增强还可能对复合材料的阻尼性能产生协同增强作用，为制备高性能阻尼铝基复合材料提供新的途径。

研究多壁碳纳米管和氧化铝颗粒混杂增强铝基复合材料的阻尼及机制，对于深入理解复合材料的阻尼行为，开发具有高阻尼性能的新型铝基复合材料具有重要的理论和实际意义。从理论层面来看，通过研究不同增强体含量、分布状态以及界面结合情况对复合材料阻尼性能的影响，可以进一步完善复合材料的阻尼理论，为材料的设计和优化提供理论依据。在实际应用方面，高阻尼性能的铝基复合材料可以广泛应用于航空航天、汽车工业、机械制造等领域，满足这些领域对材料减振降噪的需求，提高产品的性能和质量，具有显著的经济效益和社会效益。

1.2国内外研究现状

1.2.1多壁碳纳米管增强铝基复合材料阻尼性能研究

多壁碳纳米管增强铝基复合材料凭借其独特的性能优势，在航空航天、汽车制造等领域展现出巨大的应用潜力，受到了国内外学者的广泛关注。

在国外，早在21世纪初，研究人员就开始探索碳纳米管增强金属基复合材料的性能。随着研究的深入，对于多壁碳纳米管增强铝基复合材料阻尼性能的研究逐渐展开。UMASHANKAR等人研究了CNT/Al-Si复合材料，发现当CNT质量分数低于0.5%时，阻尼随CNT含量的增加而提高，而当CNT质量分数超过0.5%时，阻尼随CNT含量的增加而下降，原因是CNT产生了团聚。GIRISHA等以粉末冶金的方法制备了不同CNT含量的MWCNT/Al复合材料，发现当CNT质量分数为1.5%时，阻尼性能最佳。这些早期研究为后续深入探索多壁碳纳米管增强铝基复合材料的阻尼性能奠定了基础，揭示了碳纳米管含量对复合材料阻尼性能的重要影响，也指出了碳纳米管团聚问题对材料性能的负面影响。

国内对于多壁碳纳米管增强铝基复合材料阻尼性能的研究起步稍晚，但发展迅速。近年来，众多科研团队投入到这一领域的研究中。上海交通大学的研究团队采用叠片粉末冶金与合金化方法制备了质量分数为1.5%CNT/2A12复合材料，并研究了不同时效条件下的力学性能与阻尼性能，发现复合材料的阻尼在0-180℃时变化不大，在0.005左右，180-300℃时明显提高，300℃时可达0.05，阻尼性能受时效时间影响不大