CN103789710B - 非晶基体复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种非晶基体复合材料及其制备方法，所述复合材料为金属玻璃复合材料，且具有外部晶体相多于内部晶体相的结构。本发明利用涡电流加热金属玻璃引入晶体相制备非晶基体复合材料，通过交变电磁场作用在金属玻璃样品上进行加热，由于趋肤效应，样品内部和外部的加热效果不一致，但是这正好造成外部加热强度高，内部加热程度低，从而可以引起外部更多的晶化，而样品内部晶体相含量低。这样的不均匀结构有利于维持金属玻璃材料的优势力学性能，而外部晶体相的增多可以增加材料的塑性变形能力，该复合材料同时具有高强度和高塑性的特性，压缩塑性可达18%，强度可达2200MPa以上。同时具有成分简单、价格便宜，节约经济成本等特点。

Description

非晶基体复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及材料领域，特别涉及一种通过涡电流加工制备的非晶基体复合材料及其方法。
背景技术
金属玻璃是合金熔体在快速凝固过程中没有来得及结晶而形成的非晶态物质。在微观结构上，它具有类似液体的无序原子结构；在宏观上，它又具有固体的刚性。金属玻璃作为材料家族的新成员，虽然只有几十年的发展历史，但是因为金属玻璃具有不同于传统晶态合金的特殊原子结构，因而具有极高的强度、弹性极限、良好的抗疲劳和耐腐蚀性等许多优异的物理、化学和力学性能。金属玻璃可以代替石英制作雷达、计算机的传声材料和敏感元件等；在军事应用方面，已开展将金属玻璃用于环保型动能穿甲弹，并有望取代对人类健康和环境造成严重危害的贫铀弹；在航天领域，美国已将此类材料成功用于“起源号”宇宙飞船；在日常生活中，高强度的金属玻璃已被应用于网球拍、自行车、潜水装置等体育装备上。上世纪九十年代块体金属玻璃的合成是金属玻璃发展中的一个重要里程碑,块体金属玻璃一出现就立即引起了科学家们的极大关注。现有的金属玻璃体系面临的主要问题有：玻璃形成能力有限，制备出的样品尺寸较小；大多数金属玻璃体系相对于传统合金材料成本昂贵，且压缩塑性仅在2%以内。因此开发具有优良玻璃形成能力、成分简单且价格便宜的金属玻璃及其复合材料是本领域材料制备的重要目标。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种通过涡电流加工制备非晶基体复合材料及其方法。该材料具有优良的力学性能、成分简单、价格便宜，节约经济成本。
本发明的非晶基体复合材料，所述复合材料为金属玻璃复合材料，且具有外部晶体相多于内部晶体相的结构。
本发明还公开一种非晶基体复合材料的制备方法，利用涡轮电流加热金属玻璃引入晶体相制备非晶基体复合材料；
进一步，将金属玻璃放入线圈之中，通以交变电流；
进一步，金属玻璃成分为铜基、锆基、钛基中的三元系以上合金；
进一步，所述非晶基体复合材料为Cu-Zr基大块非晶复合材料；
进一步，所述金属玻璃的成分为(Cu50Zr50)100-xAlx,x=2-10，x为整数；
进一步，所述金属玻璃的成分为Cu46Zr46Al8；
进一步，将直径为2-8毫米的金属玻璃放入线圈之中，通以强度为5-50安培的交变电流；
进一步，将直径为5毫米的金属玻璃放入线圈之中，通以强度为30安培的交变电流。
本发明的有益效果：本发明的非晶基体复合材料及其制备方法，通过交变电磁场作用在金属玻璃样品上进行加热，由于趋肤效应，样品内部和外部的加热效果不一致，但是这正好造成外部加热强度高，内部加热程度低，从而可以引起外部更多的晶化，而样品内部晶体相含量低。这样的不均匀结构有利于维持金属玻璃材料的优势力学性能，而外部晶体相的增多可以增加材料的塑性变形能力，该复合材料同时具有高强度和高塑性的特性，压缩塑性可达18%，强度可达2200MPa以上。同时具有优良的力学性能、成分简单、价格便宜，节约经济成本。
附图说明
图1为本发明的样品制备示意图；
图2为本发明的金属玻璃复合材料的金相图。
图3为铸态金属玻璃与本发明的金属玻璃复合材料的X射线衍射曲线；
图4为铸态金属玻璃与本发明的金属玻璃复合材料的压缩断裂曲线；
图5为铸态金属玻璃与本发明的金属玻璃复合材料的DSC曲线；
具体实施方式
本实施例的非晶基体复合材料，所述复合材料为金属玻璃复合材料，且具有外部晶体相多于内部晶体相的结构。
本实施例的一种非晶基体复合材料的制备方法，利用涡电流加热金属玻璃引入晶体相制备非晶基体复合材料。
本实施例中，将金属玻璃放入线圈之中，通以交变电流。
本实施例中，金属玻璃成分为铜基、锆基、钛基中的三元系以上合金中或两种以上，为优选。
本实施例中，优选为非晶基体复合材料为Cu-Zr基大块非晶复合材料。
本实施例中，所述金属玻璃的成分为(Cu50Zr50)100-xAlx,x=2-10（x为整数）。
本实施例中，优选为金属玻璃的成分为Cu46Zr46Al8。
本实施例中，将直径为2-8毫米的金属玻璃放入线圈之中，通以强度为5-50安培的交变电流。
本实施例中，将直径为5毫米的金属玻璃放入线圈之中，通以强度为30安培的交变电流。
下面通过具体实施例对本发明做进一步的阐述。
实施例一
把成分为Cu46Zr46Al8（原子百分比），直径为5毫米的金属玻璃放入线圈之中，通过强度为30安培的交变电流。交变电流引起的交变电磁场作用在金属玻璃样品上进行加热，因为趋肤效应，样品内部和外部的加热效果不一致，但是这正好造成外部加热强度高，内部加热程度低，从而可以引起外部更多的晶化，而样品内部晶体相含量低。这样的不均匀结构有利于维持金属玻璃材料的优势力学性能，而外部晶体相的增多可以增加材料的塑性变形能力。所制得的复合材料为金属玻璃复合材料，且具有外部晶体相多，内部晶体相少的结构。其压缩塑性超过18%。该复合材料的金相图如图2所示，可见明显的非晶-晶体复合组织结构。铸态金属玻璃与金属玻璃复合材料（非晶基体复合材料）的X射线衍射分析如图3所示，从图中可以看出铸态金属玻璃具有完全的非晶态结构，而金属玻璃复合材料样品则含有晶体相和亚稳相，而其基体依然是非晶相。图4是铸态金属玻璃与金属玻璃复合材料（非晶基体复合材料）的力学性能对比。实验条件为：样品为柱样试样，实验温度为室温（25℃），压缩应变速率为0.072mm/min。根据铸态金属玻璃与金属玻璃复合材料（非晶基体复合材料）的压缩断裂曲线可以看出，所制备的金属玻璃复合材料（非晶基体复合材料）强度可达2205MPa以上，比铸态金属玻璃明显高很多，且铸态金属玻璃没有明显塑性，塑性仅在2%以内，本发明的金属玻璃复合材料（非晶基体复合材料）的塑性从2%以内提高到18%。因此，相较于铸态金属玻璃，本发明的金属玻璃复合材料（非晶基体复合材料）在保证断裂强度较高的基础上，其塑性得到大幅度的提高，同时具有高强度和高塑性的特性。对铸态金属玻璃与金属玻璃复合材料（非晶基体复合材料）进行了热分析，实验方法及条件：分别选取15毫克的铸态金属玻璃和金属玻璃复合材料样品，进行差示扫描量热（DSC）分析。其各自的DSC曲线如图5所示，从图中可以看出铸态金属玻璃有明显的玻璃转变和晶化反应，说明其非晶态的原子结构；而制备的金属玻璃复合材料样品，玻璃转变现象不明显，晶化反应也弱于铸态样品，说明了其不完全的非晶结构，即非晶-晶体复合结构。
实施例二
把成分为Cu46Zr46Al8（原子百分比），直径为2毫米的金属玻璃放入线圈之中，通过强度为5安培的交变电流。所制得的复合材料为金属玻璃复合材料，且具有外部晶体相多，内部晶体相少的结构，其压缩塑性超过18%。
实施例三
把成分为Cu46Zr46Al8（原子百分比），直径为8毫米的金属玻璃放入线圈之中，通过强度为50安培的交变电流；所制得的复合材料为金属玻璃复合材料，且具有外部晶体相多，内部晶体相少的结构，其压缩塑性为19%，强度可达2210MPa以上。
实施例四
把成分为Cu46Zr46Al8（原子百分比），直径为6毫米的金属玻璃放入线圈之中，通过强度为20安培的交变电流；所制得的复合材料为金属玻璃复合材料，且具有外部晶体相多，内部晶体相少的结构，其压缩塑性超过19%，材料强度超过2205MPa以上。
实施例五
把成分为Cu50Zr42Al8（原子百分比），直径为4毫米的金属玻璃放入线圈之中，通过强度为40安培的交变电流；所制得的复合材料为金属玻璃复合材料，且具有外部晶体相多，内部晶体相少的结构，其压缩塑性超过18%，材料强度可达2205MPa。
实施例六
把成分为Ti40Al20Nb（原子百分比），直径为4毫米的金属玻璃放入线圈之中，通过强度为40安培的交变电流；所制得的复合材料为金属玻璃复合材料，且具有外部晶体相多，内部晶体相少的结构，其压缩塑性超过18%，材料强度可达2200MPa。
实施例七
把成分为Cu45Zr45Al10（原子百分比），直径为4毫米的金属玻璃放入线圈之中，通过强度为40安培的交变电流；所制得的复合材料为金属玻璃复合材料，且具有外部晶体相多，内部晶体相少的结构，其压缩塑性超过18%，材料强度可达2205MPa。
实施例八
把成分为Cu45Zr45Al10（原子百分比），直径为4毫米的金属玻璃放入线圈之中，通过强度为40安培的交变电流；所制得的复合材料为金属玻璃复合材料，且具有外部晶体相多，内部晶体相少的结构，其压缩塑性超过18%，材料强度可达2205MPa。
Cu46Zr47Al7原子百分比），直径为4毫米的金属玻璃放入线圈之中，通过强度为40安培的交变电流；所制得的复合材料为金属玻璃复合材料，且具有外部晶体相多，内部晶体相少的结构，其压缩塑性超过18%，材料强度超过2205MPa以上。
实施例一种制备的金属玻璃复合材料与其他实施例制备的金属玻璃复合材料性质并无明显差别，因此不在赘述。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种非晶基体复合材料的制备方法，其特征在于：所述复合材料为金属玻璃复合材料，且具有外部晶体相多于内部晶体相的结构；将金属玻璃放入线圈之中，通以交变电流，利用涡电流加热金属玻璃引入晶体相制备非晶基体复合材料；所述金属玻璃的成分为(Cu50Zr50)100-xAlx,x＝2-10。
2.根据权利要求1所述的非晶基体复合材料的制备方法，其特征在于：所述金属玻璃的成分为Cu46Zr46Al8。
3.根据权利要求2所述的非晶基体复合材料的制备方法，其特征在于：将直径为2-8毫米的金属玻璃放入线圈之中，通以强度为5-50安培的交变电流。
4.根据权利要求3所述的非晶基体复合材料的制备方法，其特征在于：将直径为5毫米的金属玻璃放入线圈之中，通以强度为30安培的交变电流。
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