近年来，航空航天、轨道交通和国防军工等重点领域重大装备发展日趋高速化、轻量化和大功率化，振动和噪声问题变得日益突出。据统计，由振动问题造成的武器系统或仪器故障高达10%；火箭、卫星的失效故障中，更是约2/3与振动和噪声有关。常规的轻量化镁合金已经不能满足重点领域重大装备升级换代的需求。因此，发展具备高强度阻尼减振的新型结构一功能一体化镁合金变得日益重要。然而，传统的镁合金室温阻尼的产生机制是位错阻尼机制，要想提高镁合金的阻尼性能就必须使位错具有比较好的可动性。但是当前镁合金力学性能的主要强化机制，例如固溶强化、第二相强化、细晶强化等，其实质就是使位错钉扎，降低位错的可动性，从而提高镁合金的强度，所以镁合金的强度、塑性、功能特性不易兼得，甚至相互矛盾，导致镁合金特性远未充分发掘。

最近，上海交通大学王渠东教授课题组采用往复挤压大塑性变形工艺制备了纳米SiC颗粒增强AZ91D超细晶镁基复合材料（SiC_np/AZ91D），讨论了往复挤压加工道次及纳米增强相的添加对复合材料室温阻尼性能、高温阻尼性能以及阻尼-温度谱（tanδ~T）的影响。在解析SiC_np/AZ91D复合材料阻尼-温度谱的过程中，首次引入阻尼-温度谱的一次微分曲线，确定了镁基纳米复合材料在连续升温过程中位错开始脱钉、“雪崩式”脱钉以及晶界滑移的临界温度Tcr、Tp和Tv，并给出镁基纳米复合材料的阻尼机制随温度的转变规律。上述理论的建立将为高阻尼镁基纳米复合材料的开发提供重要的理论指导。

文章详细探讨了纳米SiC颗粒的添加以及往复挤压工艺对镁基纳米复合材料阻尼性能的影响规律，结果如图1所示。对于固溶态SiC_np/AZ91D复合材料，其阻尼-温度谱基本可以分为2个区间：低、中温区（25~200 ℃），阻尼值与测试温度无关；高温区（200~250 ℃），阻尼值随着测试温度的升高缓慢增加。纳米SiC颗粒的添加会降低固溶态基体合金的室温阻尼性能，但是会提高其高温阻尼性能。对于往复挤压后的SiCnp/AZ91D复合材料，其阻尼-温度谱可以分为以下3个区间：低温区（<Tcr），阻尼值与测试温度无关；中温区（Tcr~Tv），阻尼值随着温度的升高逐渐增加；高温区（>Tv），阻尼值随着温度的升高快速增加。随着SiC纳米颗粒含量的增加，基体合金的室温阻尼性能和高温阻尼性能均逐步降低。这主要是由于在低温条件下，SiC纳米颗粒通过阻碍位错运动，导致往复挤压复合材料的室温阻尼性能低于同加工状态下的合金；高温条件下，尽管Mg/SiC_np相界面随着SiC纳米颗粒的添加有所增加，但是沿着晶界分布的SiC纳米颗粒会阻碍晶界滑动，使得往复挤压复合材料的高温阻尼性能低于同加工状态下的合金。

图1 纳米SiC颗粒的添加及往复挤压工艺对SiC_np/AZ91D复合材料阻尼性能的影响:（a, c）阻尼-温度谱（tanδ~T）；（b, d）室温（25 ℃）、高温（250 ℃）阻尼性能（振动频率：1Hz）

图2(a-d)为不同振动频率下，往复挤压SiC_np/AZ91D复合材料的阻尼-温度谱（tanδ~T）。对比可知，尽管复合材料处于不同的往复挤压加工状态，但它们的阻尼-温度谱有很多相似之处：（1）复合材料的室温阻尼值随着振动频率的增加逐渐降低；但是，当振动频率从10Hz提高到20Hz时，室温阻尼值异常增大。（2）如前所述，复合材料的阻尼-温度谱可以根据阻尼值随测试温度变化的快慢程度划分为3个区间。为了揭示阻尼值随温度改变的速率，将阻尼-温度谱相对应的一次微分曲线（d(tanδ)/dT~T）绘于图中。很明显，当测试温度低于某一个临界温度（Tcr）时，d(tanδ)/dT≈0，此时阻尼值与测试温度无关（低温区）；当测试温度高于该临界温度（Tcr）时，d(tanδ)/dT>0，阻尼值随着测试温度的升高逐渐增加。与此同时，在阻尼-温度谱的一次微分曲线上出现了两个极值点（峰值Tp, 谷值Tv）。（3）随着测试温度的升高，复合材料的阻尼值对振动频率的变化越来越敏感，即随着测试温度的升高，振动频率对复合材料阻尼值的影响越来越明显。（4）复合材料的高温阻尼值随着振动频率的升高单调下降。

在中温区（Tcr~Tv），复合材料阻尼-温度谱的一次微分曲线（d(tanδ)/dT~T）上出现了两个明显的极值点。随着振动频率的增加，峰值温度（Tp）和谷值温度（Tv）逐渐增大，将Tp和Tv与所对应的振动频率分别进行Arrhenius线性拟合，拟合结果如图2e所示。对于图中任意一条拟合直线，线性相关系数都超过0.99，证实了任一加工道次下，复合材料阻尼-温度谱一次微分曲线中出现的峰和谷都对应于复合材料中的某种微观热弛豫行为。

图2  镁基纳米复合材料阻尼-温度谱的解析：（a）阻尼-温度谱一次微分曲线；（b）阻尼-温度谱一次微分曲线中极值点的Arrhenius线性回归

通过总结、归纳往复挤压前、后合金/复合材料阻尼-温度谱及其一次微分曲线，结合已有的金属基复合材料的阻尼机制，往复挤压镁基纳米复合材料阻尼机制简述如下：往复挤压过程中，Mg₁₇Al₁₂相的动态析出使得基体内阻碍位错运动的弱钉扎点（Al原子）数量大为降低，而强钉扎点（Mg₁₇Al₁₂相）数量大大增加，如图3a所示。当测试温度低于临界温度（<Tcr）时，阻尼主要是由位错在弱钉扎点（Al原子、空位）间振荡产生；当测试温度略高于临界温度（Tcr）时，位错开始从弱钉扎点挣脱，但依然被强钉扎点（析出相、孪晶界、晶界）所钉扎；当测试温度提高到峰值温度（Tp）时，大量位错从弱钉扎点之间发生挣脱，发生所谓的“雪崩式”脱钉；当测试温度高于峰值温度（Tp）、但仍低于谷值温度（Tv）时，残余的少量仍被钉扎的位错逐渐发生脱钉；当测试温度高于谷值温度时（>Tv）时，Mg基体和Mg₁₇Al₁₂析出相的软化使得晶界和相界面发生相对滑动，此时材料的阻尼机制为晶界阻尼和相界面阻尼。

图3 往复挤压镁基纳米复合材料的阻尼-温度谱示意图及阻尼机制随温度的转变机理

综上所述，本研究采用往复挤压大塑性变形工艺制备了纳米SiC颗粒增强AZ91D超细晶镁基复合材料，讨论了往复挤压加工道次及纳米增强相的添加对复合材料室温阻尼性能、高温阻尼性能以及阻尼-温度谱（tanδ~T）的影响。在解析SiC_np/AZ91D复合材料阻尼-温度谱的过程中，首次引入阻尼-温度谱的一次微分曲线，确定了镁基纳米复合材料在连续升温过程中位错开始脱钉、“雪崩式”脱钉以及晶界滑移的临界温度Tcr、Tp和Tv，并给出镁基纳米复合材料的阻尼机制随温度的转变规律。