制备多层复合材料的方法、设备和结构阻尼复合材料

摘要

本发明提供了一种制备多层复合材料的方法和设备以及采用该方法和设备所得到的结构阻尼复合材料。制备过程包括以下步骤：1)以基体层为阴极，以作为第一结构层来源的第一电极为阳极，利用电火花沉积加工将第一电极沉积到基体层的表面并形成第一结构层；2)以作为第二结构层来源的第二电极为阳极，利用电火花沉积加工将第二电极沉积到第一结构层的表面并形成第二结构层。当所述第一结构层和第二结构层分别为由阻尼材料构成的第一阻尼层和第二阻尼层，所得多层复合材料为结构阻尼复合材料。上述方法所使用的设备的控制机构包括控制电极进给运动的机构和控制电极夹持部夹取或更换电极的机构。

说明书

技术领域

本发明属于材料领域，具体涉及一种制备多层复合材料的方法以及该方法所使用的设备， 还涉及采用该方法和设备所获得的结构阻尼复合材料。

背景技术

在机械设备高效、自动化及大规模应用的同时，由于机械设备产生的振动会严重影响仪 器的精度、稳定性及引起结构疲劳，产生的噪音也会危害周围人员的健康。因此研发同时具 有减振降噪及力学性能优良的材料对民用、军用和航空航天工业有重大意义，阻尼材料由此 产生。

阻尼材料按特性分为3类：1)橡胶和塑料阻尼板：应用较多的有丁基、丙烯酸酯、聚硫、 丁腈和硅橡胶、聚氨酯、聚氯乙烯和环氧树脂等，这类材料可以满足-50～200℃围内的使用 要求；2)橡胶和泡沫塑料：应用较多的有丁基橡胶和聚氨酯泡沫，通过控制泡孔的大小、通 孔或闭孔等方式达到吸声的目的；3)高阻尼合金：应用较多的是Zn-Al系合金、Mg合金、 Fe-Cr系合金、Mn-Cu系合金等，阻尼性能在很宽的温度和频率范围内基本稳定。

为了提高结构材料的阻尼性能，可将结构材料和阻尼材料组合成复合材料，以达到控制 振动和降低噪声的目的。目前，夹层结构是结构阻尼复合材料常用的形式之一，该结构是将 上述阻尼材料作为阻尼夹芯层，再同结构材料粘合成各种夹层结构板和梁等型材，经机械加 工制成各种结构件。然而，这类构件中，阻尼材料和结构材料的结合力差，受到冲击载荷时， 层间结构易被破坏，容易脱层和剥落，而且阻尼材料难以完全发挥其减震和消声作用。但是， 直接生产相应的复合材料会花费极大的成本和时间，限制了结构阻尼材料的大规模应用。此 外，噪声和震动所造成的污染和危害越来越受到人们的重视，由此也对材料的减振、降噪性 能提出了更高的要求，单一的阻尼材料已经难以消除噪声和震动所造成的污染和危害。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种制备多层复合材料的方法以及该方法所使用的设 备。本发明还要提供一种结构阻尼复合材料及其制备方法，同时提供制备该阻尼复合材料所 使用的合金电极。

本申请所要制备的多层复合材料包含基体层、第一结构层和第二结构层，制备过程包括 以下步骤：1)以基体层为阴极，以作为第一结构层来源的第一电极为阳极，利用电火花沉积 加工将第一电极沉积到基体层的表面并形成第一结构层；2)以作为第二结构层来源的第二电 极为阳极，利用电火花沉积加工将第二电极沉积到第一结构层的表面并形成第二结构层。可 以根据需要，在第二结构层的表面继续增加第三结构层，各个结构层的厚度由沉积的次数控 制。通过电火花沉积加工使得基体层、第一结构层和第二结构层之间通过化学键结合，结合 力强，结构层不易脱落。

第一电极和第二电极可以为单独的个体，也可分别为一个具有双层结构的电极的其中一 层，当第一电极和第二电极为一体结构时，可以省去更换电极的过程。当所需沉积的区域宽 度与第一电极和第二电极的直径相同时，第一电极和第二电极的沉积过程至少包含沿N(N≥ 1)个方向的进给运动；当所需沉积的区域宽度大于第一电极和第二电极的直径时，第一电极 和第二电极的沉积过程至少包含N(N≥2)个方向的进给运动。在沉积过程中，需要多次沉 积过程才能沉积所需厚度的结构层，即第一结构层和第二结构层均是由至少两层沉积层组成， 为了使各沉积层之间有更好的结合力并且各部位的厚度分布均匀，防止结构层剥离，一种方 式是使相邻沉积层的沉积方向不相平行，优选地，相邻沉积层的沉积方向垂直。

上述两种结构层先后通过电火花沉积加工沉积到基体层表面，最终形成的各层结构之间 具有很强的结合力，不仅工艺简单，而且各结构层的组成和厚度容易控制，可以根据具体的 需求，沉积不同种类的结构层以及不同厚度的结构层。一种应用是使所述第一结构层和第二 结构层分别为对基体层进行改性的功能层，例如分别为由阻尼材料构成的第一阻尼层和第二 阻尼层，此时，基体层为由结构材料组成的结构层，所得复合材料为结构阻尼复合材料，其 中，结构材料是以力学性能为基础，以制造受力构件所用的材料。第一阻尼层和第二阻尼层 可分别选自Zn-Al系合金、Mg合金、Fe-Cr系合金、Mn-Cu系合金中的任意一种。

本申请提供的第一种结构阻尼复合材料，是一种包含基体层和阻尼层的复合材料，阻尼 层包含第一阻尼层和第二阻尼层，基体层、第一阻尼层和第二阻尼层依次通过电火花沉积加 工结合。其中，第一阻尼层为Zn-Al系合金，第二阻尼层为Fe-Cr系合金，所述Zn-Al系合 金中各个组分及其含量为Al20-30wt％，Cu1-5wt％，Mg0.01-0.1wt％，其余为Zn；所述Fe-Cr 系合金中各个组分及其含量为Cr10-20wt％，Al1-5wt％，Si0.1-2wt％，其余为Fe。

上述结构阻尼复合材料的制备方法包括以下步骤：1)以合金钢或Al合金为阴极，以作 为第一阻尼层来源的第一电极为阳极，利用电火花沉积加工将第一电极沉积到合金钢或Al合 金的表面并形成Zn-Al系合金阻尼层；2)以作为第二阻尼层来源的第二电极为阳极，利用电 火花沉积加工将第二电极沉积到Zn-Al系合金阻尼层的表面并形成Fe-Cr系合金阻尼层。其 中，第一电极和第二电极的沉积过程均至少包含沿N(N≥1)个方向的进给运动。第一阻尼 层和第二阻尼层均由至少两层沉积层组成，相邻两层沉积层的沉积方向不相平行，一种优选 的方式是使相邻两层沉积层的沉积方向垂直。沉积过程的电压为70-98V，电流为3-10A，频 率为450-1000Hz，脉宽为2-21μs。

本申请提供的第二种结构阻尼复合材料，是一种包含基体层和阻尼层的复合材料，阻尼 层包含第一阻尼层和第二阻尼层，基体层、第一阻尼层和第二阻尼层依次通过电火花沉积加 工结合。其中，第一阻尼层为Fe-Cr系合金，第二阻尼层为Zn-Al系合金，所述Zn-Al系合 金中各个组分及其含量为Al20-30wt％，Cu1-5wt％，Mg0.01-0.1wt％，其余为Zn；所述Fe-Cr 系合金中各个组分及其含量为Cr10-20wt％，Al1-5wt％，Si0.1-2wt％，其余为Fe。

上述结构阻尼复合材料的制备方法包括以下步骤：1)以合金钢或Al合金为阴极，以作 为第一阻尼层来源的第一电极为阳极，利用电火花沉积加工将第一电极沉积到合金钢或Al合 金的表面并形成Fe-Cr系合金阻尼层；2)以作为第二阻尼层来源的第二电极为阳极，利用电 火花沉积加工将第二电极沉积到Fe-Cr系合金阻尼层的表面并形成Zn-Al系合金阻尼层。其 中，第一电极和第二电极的沉积过程均至少包含沿N(N≥1)个方向的进给运动。第一阻尼 层和第二阻尼层均由至少两层沉积层组成，相邻两层沉积层的沉积方向不相平行，一种优选 的方式是使相邻两层沉积层的沉积方向垂直。沉积过程的电压为70-98V，电流为3-10A，频 率为450-1000Hz，脉宽为2-21μs。

上述两种结构阻尼复合材料的制备方法中所使用的电极为合金电极，所述合金电极由 Zn-Al系合金和/或Fe-Cr系合金组成；当电极由Zn-Al系合金或Fe-Cr系合金组成时，所述 合金电极为第一阻尼层来源的第一电极或为第二阻尼层来源的第二电极；当电极由Zn-Al系 合金和Fe-Cr系合金组成，所述电极为两层结构，包括作为第一阻尼层来源的第一电极(下 层)和作为第二阻尼层来源的第二电极(上层)。也就是说，合金电极可以由单一阻尼材料源 组成，第一电极和第二电极为独立的个体，即当沉积得到第一阻尼层之后，需要更换电极以 沉积第二阻尼层；电极也可以具有两层结构，分别为第一电极和第二电极，根据第一阻尼层 的厚度设定第一电极的厚度，当下层的第一电极沉积得到所需厚度的第一阻尼层之后，第一 电极也随之耗尽，无需更换电极，即可将第二电极沉积到第一阻尼层的表面，这样的设计更 有利于上述制备方法的工业化应用，当然，也可以根据需要，使电极由两种以上的阻尼材料 源组成。电极的形状和大小可以根据电极夹持部的尺寸调节，一般为条形，长度为120-150mm， 直径为1-5mm。

上述制备方法所使用的设备包括工作台、脉冲电源、电极夹持部和控制机构，其中，脉 冲电源的阴极与基体层连接，脉冲电源的阳极与电极夹持部连接，所述控制机构包括控制电 极进给运动的机构和控制电极夹持部夹取或更换电极的机构。现有设备中，电极的进给运动 通常为手动控制，并且当电极使用完时，需要手动更换电极，这在很大程度上限制了大规模 生产。采用本申请的设备，可以自动化控制电极的进给运动以及控制电极夹持部夹取或更换 电极，为规模化生产提供了基础。

附图说明

图1、制备多层复合材料的设备的结构示意图。

图2、沉积过程电极的进给运动方向示意图。

具体实施方式

本申请所要制备的多层复合材料包含基体层、第一结构层和第二结构层，第一结构层和 第二结构层的选择范围广泛，可以为阻尼层或其他功能层。上述两种结构层先后通过电火花 沉积加工沉积到基体层表面，最终形成的复合材料中，基体层、第一结构层和第二结构层之 间通过化学键结合，结合力强，不易脱落。各结构层易控制，可以根据具体的需求，沉积不 同种类和厚度的结构层。一种应用是使所述第一结构层和第二结构层分别为由阻尼材料构成 的第一阻尼层和第二阻尼层，此时，基体层由结构材料组成。

为了更便于理解本申请的沉积过程，采用由16个大小相同的单元格组成的“十字网格” 加以辅助说明，如图2所示，该十字网格包含X轴方向的网格和Y轴方向的网格。以下通过 具体的实施例来说明本申请的有益效果。

实施例1

本实施例中的多层复合材料为以316型合金钢为基体层、Zn-Al系合金为第一阻尼层和 Fe-Cr系合金为第二阻尼层的结构阻尼复合材料，第一阻尼层和第二阻尼层的来源分别为 Zn-Al系合金电极和Fe-Cr系合金电极，其中，Zn-Al系合金中各个组分及其含量为Al20wt％， Cu5wt％，Mg0.1wt％，其余为Zn；Fe-Cr系合金中各个组分及其含量为Cr10wt％，Al5wt％， Si2wt％，其余为Fe。本实施例所需沉积的区域为图2中A1-A4和B1-B4的网格，其制备过 程如下：

采用如图1所示的设备，将316型合金钢4放置于工作台1并与脉冲电源2的阴极连接， 然后将与脉冲电源2的阳极连接的电极夹持部3夹持住Zn-Al系合金电极(第一电极)；然后 通过控制机构控制Zn-Al系合金电极的运动方向，使得Zn-Al系合金电极在316型合金钢4 表面沉积并形成Zn-Al系合金阻尼层。沉积过程中Zn-Al系合金电极的进给运动如下：首先 沿着X轴方向将Zn-Al系合金依次沉积到A1-A4和B4-B1网格(形成第一沉积层),然后沿着 Y轴方向将Zn-Al系合金依次沉积到A1-B1、A2-B2、A3-B3和A4-B4网格(形成第二沉积层)， 重复上述进给运动直至沉积所需厚度的Zn-Al系合金阻尼层；然后通过控制机构使电极夹持 部3将Zn-Al系合金电极更换为Fe-Cr系合金电极(第二电极)，然后采用上述沉积方式，将 Fe-Cr系合金沉积到Zn-Al系合金阻尼层的表面并形成Fe-Cr系合金阻尼层，即得到结构阻 尼复合材料。上述沉积过程中，第一电极和第二电极的沉积过程均包含2个方向的进给运动， 即X轴和Y轴，相邻两层沉积层的沉积方向垂直。

上述沉积过程中，Zn-Al系合金电极沉积时的电压为98V，电流为10A，频率为450Hz， 脉宽为18μs；Fe-Cr系合金电极沉积时的电压98为V，电流为10A，频率为600Hz，脉宽为 16μs；Zn-Al系合金电极和Fe-Cr系合金电极的长度为120-150mm，直径为5mm。

所得结构阻尼复合材料中，第一阻尼层为Zn-Al系合金，第二阻尼层为Fe-Cr系合金， 基体层、第一阻尼层和第二阻尼层之间依次通过电火花沉积加工结合。与仅含单一阻尼层 (Zn-Al系合金阻尼层或Fe-Cr系合金阻尼层)的复合材料相比，本实施例的结构阻尼复合 材料的比阻尼性能SDC提高，损耗因子增大，对数衰减率增加，显示出优异的阻尼性能。此 外，本实施例的结构阻尼复合材料的综合力学性能好，各层之间的结合力强。

实施例2

本实施例中的多层复合材料为以304型合金钢为基体层、Fe-Cr系合金为第一阻尼层和 Zn-Al系合金为第二阻尼层的结构阻尼复合材料，第一阻尼层和第二阻尼层的来源分别为 Fe-Cr系合金电极和Zn-Al系合金电极，其中，Zn-Al系合金中各个组分及其含量为Al24wt％， Cu4wt％，Mg0.06wt％，其余为Zn；Fe-Cr系合金中各个组分及其含量为Cr16wt％，Al4wt％， Si0.6wt％，其余为Fe。本实施例所需沉积的区域为图2中A1-A4的网格，其制备过程如下：

采用如图1所示的设备，将304型合金钢4放置于工作台1并与脉冲电源2的阴极连接， 然后将与脉冲电源2的阳极连接的电极夹持部3夹持住Fe-Cr系合金电极(第一电极)；然后 通过控制机构控制Fe-Cr系合金电极的进给方向，使得Fe-Cr系合金电极在304型合金钢4 表面沉积并形成Fe-Cr系合金阻尼层。沉积过程中Fe-Cr系合金电极的进给运动如下：沿着 X轴方向将Zn-Al系合金沉积到A1-A4的网格(形成第一沉积层)，重复上述运动直至沉积所 需厚度的Zn-Al系合金阻尼层；然后通过控制机构使电极夹持部3将Fe-Cr系合金电极更换 为Zn-Al系合金电极(第二电极)，然后采用上述沉积方式，将Zn-Al系合金电极沉积到Fe-Cr 系合金阻尼层的表面并形成Zn-Al系合金阻尼层。上述沉积过程中，第一电极和第二电极的 沉积过程均包含1个方向的进给运动，即X轴，相邻两层沉积层的沉积方向平行。

上述沉积过程中，Zn-Al系合金电极沉积时的电压95V，电流8A，频率650Hz，脉宽18 μs，Fe-Cr系合金电极沉积时的电压92V，电流8A，频率450Hz，脉宽15μs；Zn-Al系合金 电极和Fe-Cr系合金电极的长度为120-150mm，直径为4mm。

所得结构阻尼复合材料中，第一阻尼层为Fe-Cr系合金，第二阻尼层为Zn-Al系合金， 基体层、第一阻尼层和第二阻尼层之间依次通过电火花沉积加工结合。与仅含单一阻尼层 (Zn-Al系合金阻尼层或Fe-Cr系合金阻尼层)的复合材料相比，本实施例的结构阻尼复合 材料的比阻尼性能SDC提高，损耗因子增大，对数衰减率增加，显示出优异的阻尼性能。此 外，本实施例的结构阻尼复合材料的综合力学性能好，各层之间的结合力强。

实施例3

本实施例中的多层复合材料为以铝合金为基体层、Zn-Al系合金为第一阻尼层和Fe-Cr 系合金为第二阻尼层的结构阻尼材料，第一阻尼层和第二阻尼层的来源分别为Zn-Al系合金 电极和Fe-Cr系合金电极，其中，Zn-Al系合金中各个组分及其含量为Al27wt％，Cu2wt％， Mg0.04wt％，其余为Zn；Fe-Cr系合金中各个组分及其含量为Cr12.75wt％，Al1.97wt％， Si1.1wt％，其余为Fe。本申请所需沉积的区域为图2中所有的网格，其制备过程如下：

采用如图1所示的设备，将铝合金4放置于工作台1并与脉冲电源2的阴极连接，然后 将与脉冲电源2的阳极连接的电极夹持部3夹持住Zn-Al系合金电极(第一电极)；然后通过 控制机构控制Zn-Al系合金电极的运动方向，使得Zn-Al系合金电极在铝合金4表面沉积并 形成Zn-Al系合金阻尼层。沉积过程中Zn-Al系合金电极的进给运动如下：首先沿着X轴方 向依次沉积A1-A4、B1-B4、C1-C4、D1-D4的网格(形成第一沉积层)，然后沿着Y轴方向依 次沉积A1-D1、A2-D2、A3-D3、A4-D4的网格(形成第二沉积层)，重复上述进给运动直至沉 积所需厚度的Zn-Al系合金阻尼层；然后通过控制机构使电极夹持部3将Zn-Al系合金电极 更换为Fe-Cr系合金电极(第二电极)，然后采用上述沉积方式，将Fe-Cr系合金电极沉积到 Zn-Al系合金阻尼层的表面并形成Fe-Cr系合金阻尼层。上述沉积过程中，第一电极和第二 电极的沉积过程包含2个方向的进给运动，即X轴、Y轴，相邻两层沉积层的沉积方向垂直。

上述沉积过程中，Zn-Al系合金电极沉积时的电压84V，电流6A，频率750Hz，脉宽15 μs，Fe-Cr系合金电极沉积时的电压84V，电流9A，频率450Hz，脉宽10μs；Zn-Al系合金 电极和Fe-Cr系合金电极的长度为120-150mm，直径为3mm。

所得结构阻尼复合材料中，第一阻尼层为Zn-Al系合金，第二阻尼层为Fe-Cr系合金， 基体层、第一阻尼层和第二阻尼层之间依次通过电火花沉积加工结合。与仅含单一阻尼层 (Zn-Al系合金阻尼层或Fe-Cr系合金阻尼层)的复合材料相比，本实施例的结构阻尼复合 材料的比阻尼性能SDC提高，损耗因子增大，对数衰减率增加，显示出优异的阻尼性能。此 外，本实施例的结构阻尼复合材料的综合力学性能好，各层之间的结合力强。

实施例4

本实施例中的多层复合材料为以316L型合金钢为基体层、Zn-Al系合金为第一阻尼层和 Fe-Cr系合金为第二阻尼层的结构阻尼复合材料，第一阻尼层和第二阻尼层的来源分别为 Zn-Al系合金电极和Fe-Cr系合金电极，其中，Zn-Al系合金中各个组分及其含量为Al30wt％， Cu1wt％，Mg0.01wt％，其余为Zn；Fe-Cr系合金中各个组分及其含量为Cr20wt％，Al1wt％， Si0.1wt％，其余为Fe。本申请所需沉积的区域为图2中所有的网格，其制备过程如下：

采用如图1所示的设备，将316L型合金钢4放置于工作台1并与脉冲电源2的阴极连接， 然后将与脉冲电源2的阳极连接的电极夹持部3夹持住多层电极，该多层电极的上层由Fe-Cr 系合金(第二电极)组成，下层由Zn-Al系合金(第一电极)组成；然后通过控制机构控制 多层电极的进给方向，使得多层电极在316L型合金钢4的表面沉积并依次形成Zn-Al系合金 阻尼层和Fe-Cr系合金阻尼层。沉积过程中多层电极的进给运动如下：首先沿着X轴方向依 次沉积A1-A4、B1-B4、C1-C4、D1-D4的网格(形成第一沉积层)，然后沿着Y轴方向依次沉 积A1-D1、A2-D2、A3-D3、A4-D4的网格(形成第二沉积层)，重复上述进给运动直至沉积所 需厚度的Zn-Al系合金阻尼层；当下部的Zn-Al系合金电极耗尽时，无需更换电极，上部的 Fe-Cr系合金电极即可继续按照上述沉积方式沉积到Zn-Al系合金阻尼层的表面并形成Fe-Cr 系合金阻尼层。上述沉积过程中，第一电极和第二电极的沉积过程均包含2个方向的进给运 动，即X轴、Y轴，相邻两层沉积层的沉积方向垂直。

上述沉积过程中，Zn-Al系合金电极沉积时的电压84V，电流4A，频率850Hz，脉宽10 μs，Fe-Cr系合金电极沉积时的电压78V，电流9A，频率450Hz，脉宽6μs；Zn-Al系合金 电极和Fe-Cr系合金电极的长度为120-150mm，直径为2mm。

所得结构阻尼复合材料中，第一阻尼层为Zn-Al系合金，第二阻尼层为Fe-Cr系合金， 基体层、第一阻尼层和第二阻尼层之间依次通过电火花沉积加工结合。与仅含单一阻尼层 (Zn-Al系合金阻尼层或Fe-Cr系合金阻尼层)的复合材料相比，本实施例的结构阻尼复合 材料的比阻尼性能SDC提高，损耗因子增大，对数衰减率增加，显示出优异的阻尼性能。此 外，本实施例的结构阻尼复合材料的综合力学性能好，各层之间的结合力强。

为了便于理解，上述实施例中的电极的进给方向设定为沿X轴和/或Y轴，然而，当需要 沉积较为复杂的结构层时，电极可以沿着Z轴方向进给运动，如在一定厚度的结构层(第一 结构层和/或第二结构层)的垂直于基体层的侧壁上沉积第三结构层。控制结构除了需要控制 电极的进给运动之外，还需要控制电极夹持部移动至电极放置区更换电极和更换电极后移动 至待沉积区域。