[發明專利]一種具有手性微結構的金屬玻璃超材料

有效

• 申請號: 201710335249.1
• 申請日: 2017-05-12
• 公開（公告）號: CN107012409B
• 公開（公告）日: 2018-03-16
• 發明（設計）人: 沙振東;滕云;劉子順;王鐵軍
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: C22C45/00
• 分類號: C22C45/00;B82Y30/00;B82Y40/00
• 代理公司: 西安智大知識產權代理事務所61215
• 代理人: 何會俠

技術領域

本發明涉及一種超材料技術領域，具體涉及一種具有手性微結構的金屬玻璃超材料。

背景技術

多孔結構常被用作結構防護材料和夾芯填充材料，現在已經廣泛應用于航空、航天等重要領域，包括一些結構的主、次承力結構件，如機翼、機身、尾翼以及雷達罩等部位。多孔結構與其他傳統材料相比，具有相對密度小、能夠減少應力集中等特性，還可以通過對結構的優化設計，獲得較好的減振、隔熱等特殊性能。普通的多孔結構在受到載荷作用時，宏觀變形通常表現為正泊松比特性，即在垂直于載荷作用的方向上，材料會由加載部位向四周擴散，特別是受到沖擊載荷的情況下，造成材料結構局部的松散軟化。而且相對塊體材料來說，普通多孔結構的強度并不高，大部分結構的強度極限遠低于相同尺寸大小的塊體合金材料，在強度上并沒有特別明顯的優勢。再加上制備多孔結構的材料大都是傳統合金，由于晶界、位錯等缺陷的存在，傳統合金的彈性極限較小，在承受大載荷時，很容易發生不可逆的塑性變形，造成結構失穩破壞。要進一步改善這些缺陷，合理的結構設計和制作材料的選擇就顯得尤為關鍵。

而手性結構作為一種特殊的負泊松比多孔結構，同樣具有多孔結構的特殊性能。除此之外，手性結構還具有負泊松比的特性，在受到載荷后，特別是沖擊載荷，會向受載部位附近收縮，使材料的局部密度增大，吸收部分沖擊產生的能量，進而提高其抗沖擊載荷的能力。相對于同樣尺寸大小的塊體材料，傳統手性結構雖然可以有效降低構件的重量，但是與此同時其整體的楊氏模量、強度極限同樣會大幅度的降低，無法承受大載荷，在很大程度上限制了手性結構在特定領域的應用。此外，傳統的手性結構大多應用于大尺寸的結構件，對細微承力結構就不太適用，而且也無法制備出精確度要求很高的器件，比如在微電子行業的一些元器件。

金屬玻璃，又稱為非晶合金，是通過對熔融狀態時的金屬液體快速冷卻獲得的非晶態固體。金屬玻璃短程有序、中長程無序的微觀結構，不會出現位錯和晶界等缺陷，使其屈服極限接近理論極限。而且金屬玻璃易加工、易成型，是由于表面原子排列致密，具有很精準的熱形成能力，可以達到納米級別的表面精度，能夠實現各種精細結構的精確制備。而且金屬玻璃在具有高的屈服強度的同時，還具有高彈性極限、高強度、耐磨損和耐腐蝕等優異性能。但是與此同時，由于沒有滑移面、位錯等塑性變形機制，金屬玻璃的室溫塑性變形能力極差，通常拉伸塑性應變近乎為0。

發明內容

為了改善上述多孔結構、手性結構、金屬玻璃的缺陷，本發明提供一種具有手性微結構的金屬玻璃超材料，利用各自的長處，把手性多孔微結構應用到金屬玻璃中，在保持輕質、負泊松比的情況下，實現結構整體的高彈性、高強度、大塑性，很大程度上改進了傳統手性材料以及金屬玻璃本身的力學性能，并且利用金屬玻璃超高的加工精度，實現了從微觀領域到宏觀范圍的多尺度金屬玻璃超材料制備，有望應用于吸聲、吸能、減振等特定領域，比如應用于坦克、潛艇防護裝甲的結構件。

為了達到以上目的，本發明采用如下技術方案：

一種具有手性微結構的金屬玻璃超材料，把手性微結構運用到金屬玻璃材料中，包括由金屬玻璃材料制備的多個圓柱1以及連接圓柱的韌帶2。

所述多個圓柱1是實心或者空心等截面圓柱，大小一致，且相鄰圓柱之間的距離相等，為正多邊形排列。

所述的韌帶2具有相同的厚度，且相鄰韌帶的夾角均相同，采用手性排列或反手性排列。

每個圓柱及其連接的韌帶2形成的手性微結構的尺度為微納米量級，是一種具有負泊松比的輕質多孔結構。

所述金屬玻璃材料是快速冷卻金屬液體獲得的非晶態金屬固體，具有易加工、易成型、高彈性、高強度、耐磨損和耐腐蝕的特性。且金屬玻璃表面原子排列致密，具有很高的表面精度，可以實現納米級別的加工精度。

通過改變韌帶2厚度來調控變形與斷裂機制，當韌帶2厚度小于100納米時，結構整體發生硬化現象和塑性破壞；當韌帶2厚度大于100納米時，結構整體發生剪切帶脆性斷裂。

通過改變韌帶2數量、長度、排列方式或者圓柱1的半徑來調控其整體力學性能，韌帶2長度越長，或者圓柱1的半徑越小，結構的密度和強度會相應降低，但是塑性會明顯增加。

每個圓柱上連接的韌帶2的數量為三條、四條或六條。