三维连续网络结构碳化硅铸铁复合材料的阻尼特性_图文

1、铸造三维连续网络结构碳化硅储铁复合材料的阻尼特性冯胜山，王泽建，刘庆丰（湖，大学机电研究设计院，湖北武汉）摘要：采用常压铸渗成形工艺制备了一种新型的三维连续网络结构碳化硅铸铁复合材料，用模态分析法对比测试了在不同支承状态下复合材料与普通灰铸铁材料的阻尼比、脉冲响应时间历程和传递函数。探讨了复合材料的减振机理。结果表明：复合材料的阻尼比比普通灰铸铁材料有较大幅度提高；在两点刚性支承状态下，复合材料的振幅衰减比灰铸铁试样振幅衰减更迅速，第一阶阻尼比为灰铸铁的倍，频响函数幅值（噪声分贝）比灰铸铁降低，减振效果明显。关键词：三维网络；碳化硅；铸铁；复合材料；阻尼中图分类号：；文献标识码：文章编号：（）

2、，（，）：，（）：；灰铸铁具有良好的铸造性能、耐磨性、减振性和低的缺口敏感性，而且切削加工性好，成本低，广泛用于制造各种金属切削、木工、造纸、印刷、塑料、纺织等机械设备的床身、导轨等铸件。近年来随着机械加工技术飞速发展，各种机床都向高精度化和高速度化发展，对机床的振动提出了越来越严格的限制，灰口铸铁已越来越不能满足现代化机床的要求。阻尼系数更高的材料（人造花岗岩）等可用来取代灰口铸铁。然而，这类材料的冲击韧性低，与机床的其他金属结构不易配合【湖。针对上述问题，提出制备三维网络结构陶瓷灰口铸铁新型复合材料的新思路，使其在具有高的强度、韧性的同时，又具有高的耐磨性、良好的减振性等其他优良性能，用于

3、制造高精度机床的床身、导轨等铸件。陶瓷具有较高的力学强度、较好的热物理性能，与多数陶瓷材料相比，的导热性能好，并且弹性模量高，抗氧化性能好，高温强度大。陶瓷的热膨胀系数为（）巧一，与铸铁的热膨胀系数×巧一相差较小。陶瓷与铸铁之间的润湿性也较好，因此，三维连续网络结构陶瓷灰口铸铁复合材料应是一种比较理想的减振材料【】。试样制备目前制备三维网络结构陶瓷金属复合材料主要采用压力浸渗方法，金属液在压力下克服浸渗阻力，使浸渗得以完成。但是，压力浸渗方法的工艺过程复杂，操作和控制不便，生产成本高。先采用泡沫塑料先驱体挂浆成形法和高温烧结法制备维连续网络结构陶瓷预制件，再对陶瓷预制件骨架表面进行适

4、当的金属化涂层处理，然后采用收稿日期：一收到初稿，一一收到修订稿。作者简介：冯胜山（一），男，湖北麻城人，研究员主要从事铸造材料、复合材料、环境工程材料、耐火材料的研究与开发工作。电话：，：铸造冯胜山等：三维连续网络结构碳化硅待铁复合材料的阻尼特性 常压铸渗法制备三维连续网络结构陶瓷灰口铸铁复合材料。这种常压下的金属熔体在无外力作用下渗入多孔预制件制备复合材料的方法，可简化制备工艺，降低生产成本，易于实现工业化生产川。制备的铸态三维连续网络结构碳化硅灰口铸铁复合材料试样及其对比的铸态灰口铸铁材料试样的宏观形貌如图所示（碳化硅泡沫陶瓷预制件的孔径为；单位为泡沫陶瓷在每英寸即长度上的孔数；孔数越大

5、，则孔径越小），它们的基本参数见表。试验方法图三维连续网络结构碳化硅，铸铁复合材料及其对比的灰口铸铁材料试样的宏观形貌振动对比试验，识别这两种材料在相同支承条件下的采用模态分析法对具有相同几何尺寸的灰铸铁试模态参数，以此对三维连续网络陶瓷铸铁复合材样和三维连续网络陶瓷铸铁复合材料试样进行了料的阻尼特性进行初步评估。表试样的基本参数模态分析法是一种通过微型电子计算机对结构物作模态分析的方法，其步骤如下四。（）对结构物进行脉冲或稳态随机模拟试验，通过力传感器取得力信号，并通过振动传感器得到各测点上的振动响应信号；（）对力信号及测点上的振动响应信号作并行采集取样，并转换为数字信号，存入微型电子计算机

6、中；（）由微型电子计算机分别计算出各测点的传递函数的实部和虚部，并求出其幅频响应曲线；（）对各测点的传递函数的幅频响应作集总平均，并以其各高峰的频率点为模态频率的估计值；（）通过优化法找出与目标函数的最小值相对应的模态频率、模态阻尼比，从而计算出模态振型。模态分析技术的基本原理是：机械的动特性（）与外力（）及其相应的响应石（）之间有如下关系：日（）（）腰（）。这里，（劫也称为机械的传递函数或频响函数。经离散化后，一个机械的动态性能可由阶矩阵微分方程来描述：胞（）繇（）（）钮）（） 式中：八）为维激振力向量；戈、圣、舅分别为维位移、速度和加速度响应向量；、分别为机械结构的质量、刚度和阻尼矩阵，通

7、常为实对称凡阶矩阵。根据式（），可求得该机械结构的固有频率，和对应的固有振型或。将振型向量中，按列排成矩阵形（振型矩阵）：垂睁。，毋，（）可以得到秒垂州；爹中【纠；中【】（）式中：为广义质量，后，为广义刚度，为广义阻尼。用模态参数表示该机械结构的频率响应函数：以；丽考丽（）由此可得：日（曲矩阵的第行列元素为：以；而者面（）式中：，为第阶模态频率，毒冠，为第阶模态阻尼比，多，为第阶振型。由以上分析可见，机械结构的一个频率响应函数凰（）包含了该结构的模态频率和阻尼比信息，所以，如测得某机械结构的一个典型频率响应函数，可从该频率响应函数求得其模态频率和阻尼比。阻尼比一般用表示，是指阻尼系数与临界阻尼

8、系数之比。本试验采用三种支承方法对材料阻尼特性进行测试：两点刚性支承状态见图、软泡沫塑料水平整体托住试件的支承状态见图、两点悬挂状态见图、振动试验系统原理框图见图。图试件曲点刚性史承状态舀 图软泡沫塑料水半整体托住试件 图试件两点悬挂状念频率响应函数测试过程如下：用力锤在某点激振，力锤上的力传感器感受力信号，该信号经放大器传感器图振动实验原理框图放大后输入到的号通道，同时用加速度传感器在另一点量加速度响应，该信号经放大器放大后输入到的号通道，再由模态分析系统进行分析计算，得到点对点的频率响应函数。最后由模态分析系统对该频率响应函数做曲线拟合，求得模态频率和阻尼比。试验结果及分析试件模态频率与阻

9、尼比见表。试件阻尼比的比值见表。表试件模态频率与阻尼比表试件阻尼比的比值（复合材料，灰铸铁） 由表和表可见，在不同支承状态下，泡沫陶瓷预制体经表面金属化处理后制备的复合材料试样的阻尼比都比灰铸铁大。在两点刚性支承状态下，各试件自由状态脉冲响应时间历程见图和图。在两点刚性支承状态下，复合材料的振幅衰减比灰铸铁试样振幅衰减更迅速。图灰铸铁试样脉冲响应时间历程图图复合材料脉冲响应时间历程图在两点刚性支承状态下，复合材料的第一阶阻尼比为灰铸铁的倍（从增加到），其减振效果是很高的。由于复合材料与灰铸铁的模态频率相差较小，质量差别和刚度差别也不大，因而可断定复合材料阻尼比的提高主要是材料阻尼系数的提高。从

10、图、图、图传递函数的比较中可以看出：复合材料在第一阶频率下的频响函数幅值（噪声分贝）为，而灰铸铁在第一阶频率下的频响函数幅值（噪声分贝）为，复合材料噪声分贝比灰铸铁降低，减振效果明显。减振机理灰铸铁中的片状石墨对金属基体的割裂，可阻止铸造冯胜山等：三维连续网络结构碳化硅黼铁复合材料的阻尼特性 频率图灰铸铁件频响函数幅值（噪音分贝）与频率关系（）频率图复合材料频响蛹数幅值（噪音分贝）与频率关系（）频率图两点刚性支撑状态下传递函数比较 震动的传播，并能把它转化为热能而消失，所以灰铸铁有很好的减振性。三维连续网络结构碳化硅灰：铸铁复合材料除具有灰铸铁的以上性能（图）外，具有如下的结构特点。 图复台材

11、料中厌铸铁基体的石墨形态（）材料内部有碳化硅陶瓷网络形成的三维连续网状通道，见图所示；图三维连续刚络陶瓷瞒铁复合材料的断面形貌（）碳化硅陶瓷骨架由于塑料先驱体烧蚀产生孔道，见图所示；图三维连续网络陶瓷骨架中心孔道断面形貌（）由于预制的碳化硅陶瓷网络体烧结程度不高，陶瓷颗粒间尚存在一定的孔隙率；（）在常压铸渗条件下，进入陶瓷网络体内的金属液与陶瓷网络枝干的陶瓷颗粒表面接触，即便陶瓷骨架表面采用金属化处理工艺加强润湿，由于陶瓷和金属的冷却速度不同，凝固后的金属表面与陶瓷颗粒表面之间也有可能还存在显微间隙，见图所示。图复合材料的碳化硅灰口铸铁界面形貌（）碳化硅陶瓷网络对金属基体的割裂，陶瓷骨架内的空

12、隙和陶瓷金属界面间的显微间隙，都将阻碍振动波的传播，使三维连续网络结构碳化硅灰口铸铁复合材料吸收较多的振动能，而呈现出较高的阻尼比。结论（）在不同支承状态下，泡沫陶瓷预制体经表面金属化处理后制备的三维连续网络结构碳化硅灰口铸铁复合材料的阻尼比都比灰铸铁大。在两点刚性支承状态下，复合材料的振幅衰减比灰铸铁试样振幅衰减更迅速，第一阶阻尼比为灰铸铁的倍，频响函数幅值（噪声分贝）为，比灰铸铁降低，减振效果明显。（）三维连续网络结构碳化硅灰口铸铁复合材料的减振机理是：复合材料中陶瓷网络对金属基体的割裂，陶瓷骨架内的空隙和陶瓷金属界面问的显微间隙，均能有效阻碍振动波的传播。参考文献：【】，【】。（）：【】

13、，（）：【】【】（）：【】。，闭：啪【】王薇薇，张绍兴铸铁基三维连续网状多孔陶瓷复合材料的阻尼特性【】机械工程材料。（）：【】冯胜山，王泽建，刘庆丰，等三维连续网络结构陶瓷金属复合材料的研究进展叨材料开发与应用，（）：一【】王泽建乏维连续网络结构碳化硅陶瓷铸铁复合材料的制备方法及性能研究【】武汉：湖北工业大学硕士学位论文，【】冯胜山，陈臣乔泡沫陶瓷过滤器的研究现状和发展趋势【】耐火材料，（）：。【】大久保信行机械模态分析】尹传家，译上海：上海交通大学出版社，（编辑：刘冬梅，）氍紧闭础蕊置田跏供南非铬矿础大连佳和矿业有限公司是从事南非铬矿贸易和深加工的专业厂家，公司在上海、天津、连云港设有三个加

14、工工厂和物流基地，长期备有现货。我公司提供的南非铬矿砂有铸造、化工、耐火、冶金四大级别，主要用于铸造、引流砂、耐火材料和钢铁冶炼等方面。铸造级主要指标如下：，：我公司可根据客户的要求提供不同粒度的铬矿砂，主要粒度有目，目，目。包装形式有吨袋、小袋、小袋。欢迎广大客户来电洽谈！地址：大连中山区港湾街名仕财富邮编：电话：传真：联系人：王小姐、倪小姐手机：遽赶皿龇。澄魁则篮扭删洲憎：三维连续网络结构碳化硅/铸铁复合材料的阻尼特性 作者： 作者单位： 刊名： 英文刊名： 年，卷(期： 冯胜山， 王泽建， 刘庆丰， FENG Sheng-shan， WANG Ze-jian， LIU Qing-feng

15、 湖北工业大学机电研究设计院,湖北武汉,430070 铸造 CHINA FOUNDRY 2010,59(4 参考文献(9条 1.Matteo P High cycle fatigue study of metal-ceramic co-continuous composites外文期刊 2006(55 2.Souza R M;Youshimura H N;Avier C X Strengthening porous ceramics by molten metal in filtration 1997 3.Lavecchia G M Co-continuousAl/Al_2O_3 composite produced by liquid displacement reaction relationship bctween microstructure and mechanical behavior 2003(38 4.大久保信行;尹传家 机械模态分析 1985 5.冯胜山;陈巨乔 泡沫陶瓷过滤器的研究现状和发展趋势期刊论文-耐火材料 2002(04 6.王泽