CN107012409B - 一种具有手性微结构的金属玻璃超材料 - Google Patents

Abstract

一种具有手性微结构的金属玻璃超材料，把传统的手性结构设计运用到金属玻璃材料中，包括用金属玻璃材料制成的圆柱以及与圆柱相切连接的韧带，可以通过改变结构中韧带的数量、厚度、长度、排列方式以及圆柱的半径，来调控结构整体的力学性能；本发明将手性结构和金属玻璃材料的优点完美结合，极大改善了传统多孔材料、手性材料以及金属玻璃的力学性能，不仅可以实现轻质、负泊松比，而且具有高弹性、高强度、大塑性，有望制备大尺度的金属玻璃超材料，并能够应用在减重、吸声、吸能等特定领域。

Description

一种具有手性微结构的金属玻璃超材料

技术领域

本发明涉及一种超材料技术领域，具体涉及一种具有手性微结构的金属玻璃超材料。

背景技术

多孔结构常被用作结构防护材料和夹芯填充材料，现在已经广泛应用于航空、航天等重要领域，包括一些结构的主、次承力结构件，如机翼、机身、尾翼以及雷达罩等部位。多孔结构与其他传统材料相比，具有相对密度小、能够减少应力集中等特性，还可以通过对结构的优化设计，获得较好的减振、隔热等特殊性能。普通的多孔结构在受到载荷作用时，宏观变形通常表现为正泊松比特性，即在垂直于载荷作用的方向上，材料会由加载部位向四周扩散，特别是受到冲击载荷的情况下，造成材料结构局部的松散软化。而且相对块体材料来说，普通多孔结构的强度并不高，大部分结构的强度极限远低于相同尺寸大小的块体合金材料，在强度上并没有特别明显的优势。再加上制备多孔结构的材料大都是传统合金，由于晶界、位错等缺陷的存在，传统合金的弹性极限较小，在承受大载荷时，很容易发生不可逆的塑性变形，造成结构失稳破坏。要进一步改善这些缺陷，合理的结构设计和制作材料的选择就显得尤为关键。

而手性结构作为一种特殊的负泊松比多孔结构，同样具有多孔结构的特殊性能。除此之外，手性结构还具有负泊松比的特性，在受到载荷后，特别是冲击载荷，会向受载部位附近收缩，使材料的局部密度增大，吸收部分冲击产生的能量，进而提高其抗冲击载荷的能力。相对于同样尺寸大小的块体材料，传统手性结构虽然可以有效降低构件的重量，但是与此同时其整体的杨氏模量、强度极限同样会大幅度的降低，无法承受大载荷，在很大程度上限制了手性结构在特定领域的应用。此外，传统的手性结构大多应用于大尺寸的结构件，对细微承力结构就不太适用，而且也无法制备出精确度要求很高的器件，比如在微电子行业的一些元器件。

金属玻璃，又称为非晶合金，是通过对熔融状态时的金属液体快速冷却获得的非晶态固体。金属玻璃短程有序、中长程无序的微观结构，不会出现位错和晶界等缺陷，使其屈服极限接近理论极限。而且金属玻璃易加工、易成型，是由于表面原子排列致密，具有很精准的热形成能力，可以达到纳米级别的表面精度，能够实现各种精细结构的精确制备。而且金属玻璃在具有高的屈服强度的同时，还具有高弹性极限、高强度、耐磨损和耐腐蚀等优异性能。但是与此同时，由于没有滑移面、位错等塑性变形机制，金属玻璃的室温塑性变形能力极差，通常拉伸塑性应变近乎为0。

发明内容

为了改善上述多孔结构、手性结构、金属玻璃的缺陷，本发明提供一种具有手性微结构的金属玻璃超材料，利用各自的长处，把手性多孔微结构应用到金属玻璃中，在保持轻质、负泊松比的情况下，实现结构整体的高弹性、高强度、大塑性，很大程度上改进了传统手性材料以及金属玻璃本身的力学性能，并且利用金属玻璃超高的加工精度，实现了从微观领域到宏观范围的多尺度金属玻璃超材料制备，有望应用于吸声、吸能、减振等特定领域，比如应用于坦克、潜艇防护装甲的结构件。

为了达到以上目的，本发明采用如下技术方案：

一种具有手性微结构的金属玻璃超材料，把手性微结构运用到金属玻璃材料中，包括由金属玻璃材料制备的多个圆柱1以及连接圆柱的韧带2。

所述多个圆柱1是实心或者空心等截面圆柱，大小一致，且相邻圆柱之间的距离相等，为正多边形排列。

所述的韧带2具有相同的厚度，且相邻韧带的夹角均相同，采用手性排列或反手性排列。

每个圆柱及其连接的韧带2形成的手性微结构的尺度为微纳米量级，是一种具有负泊松比的轻质多孔结构。

所述金属玻璃材料是快速冷却金属液体获得的非晶态金属固体，具有易加工、易成型、高弹性、高强度、耐磨损和耐腐蚀的特性。且金属玻璃表面原子排列致密，具有很高的表面精度，可以实现纳米级别的加工精度。

通过改变韧带2厚度来调控变形与断裂机制，当韧带2厚度小于100纳米时，结构整体发生硬化现象和塑性破坏；当韧带2厚度大于100纳米时，结构整体发生剪切带脆性断裂。

通过改变韧带2数量、长度、排列方式或者圆柱1的半径来调控其整体力学性能，韧带2长度越长，或者圆柱1的半径越小，结构的密度和强度会相应降低，但是塑性会明显增加。

每个圆柱上连接的韧带2的数量为三条、四条或六条。

当具有手性微结构的金属玻璃超材料受到外加载荷时，比如单向压缩加载，其变形机制为圆柱1不变形，韧带2变形。圆柱1发生转动，韧带部分受到压缩并弯曲变形，同时韧带2随着圆柱1的转动旋转一定角度，实现结构的宏观形变，达到吸能变形的目的。由于金属玻璃超高的弹性极限以及强度极限，因此该金属玻璃手性结构的变形极限和承受载荷的极限要比传统合金的要大几个数量级，完全可以达到高弹性、高强度、大塑性的力学性能。

和现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)通过特殊的结构设计，本发明巧妙地将金属玻璃高弹性、高强度、高耐磨与手性结构本身具有的轻质、负泊松比等特性完美结合，从而提高结构整体承受大变形大载荷的能力，最终实现吸声、吸能、减振等目标，极大改善了传统多孔材料、手性材料、以及金属玻璃的力学性能。比如应用于坦克、潜艇的防护装甲。由于坦克的防护装甲需要抵御炮弹的冲击贯穿，在确保安全性的前提下，同时要求重量尽量小，尽可能提高坦克的机动性，因此其装甲要求轻质、高强度、高弹性、抗冲击性能好的材料。当使用本发明的超材料的防护装甲时，在受到冲击载荷的作用时，由于该超材料高强度、高弹性、断裂韧性极高，而且具有负泊松比特性，该结构能够向冲击点附近收缩，造成冲击点周围材料的局部密度增大，有利于承受冲击载荷，阻碍炮弹贯穿整个装甲。此外，得益于手性微结构的内部周期性结构，防护装甲同时具有了吸声的效果，能够吸收坦克发动机以及其他仪器发出的噪声，降低被发现的概率，也给内部人员提供了合适的环境。

(2)而且得益于金属玻璃具有很精准的热形成能力，能够达到纳米级别的表面精度，本发明可以实现从纳米范围到宏观领域的多尺度精确制备。

(3)通过改变圆柱的半径或者韧带的数量、长度、厚度与排列方式，本发明可以有效的控制结构整体的变形与断裂机制，调控其杨氏模量、剪切模量、泊松比等整体力学性能，从而适应不同的工作场合，使得其可以满足某些领域的独特要求，比如吸声、吸能、减振等需求。

(4)金属玻璃易加工、易成型，表面原子排列致密，其表面精度在纳米级别，具有很高的加工精度，完全能够满足纳米级别的手性微结构的制备需求。

(5)由于是用具有高强度高耐磨的金属玻璃作为制备材料，因此相应的结构件磨损破坏的过程也将非常缓慢。

(6)得益于金属玻璃的高弹性极限，在卸载后，只要没有达到弹性极限，相应的结构件可以迅速恢复到起始形态，使其能够承受多次加载，方便重复多次使用。

附图说明

图1是本发明有四条韧带的手性微结构的金属玻璃超材料示意图。

图2是本发明有六条韧带的手性微结构的金属玻璃超材料示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，对本发明做进一步详细说明。

下面首先对本发明的原理和工作过程做如下说明：

本发明将金属玻璃优异的力学性能与手性结构本身具有的特性相结合，从而提高结构承受大变形大载荷的能力，最终实现吸声、吸能、减振等目标。由于金属玻璃的高弹性、高强度，因此金属玻璃结构件的变形极限和承受载荷的极限要比传统合金的要大几个数量级。而且得益于金属玻璃超高的弹性极限，在卸载后，只要变形程度没有达到弹性极限，结构件可以迅速恢复到起始形态，使其能够承受多次加载，方便重复多次使用。再加上金属玻璃表面原子排列致密，能够实现纳米级别的表面精度，完全可以精确加工出手性微结构所需的器件形状。

由于需要快速冷却熔融状的金属液体才能得到金属玻璃，传统的制备方式可能无法制备较为精细的手性微结构金属玻璃，因此可以采用3D打印技术，对具有手性微结构的金属玻璃超材料进行设计制备。首先，通过计算机控制模型设计以及程序编写；接着，在位于升降平台的基板上预铺一定厚度的金属玻璃粉末；然后，激光束按照预先编制好的程序进行选择性扫描；在完成上述扫描之后，将升降平台下降一段距离，保证激光束的聚焦，重新开始扫描；重复上述过程，最后层层累加制备成所需几何形状的金属玻璃。如图1所示为有四条韧带的手性微结构的金属玻璃，图2则为有六条韧带的手性微结构的金属玻璃。

当具有手性微结构的金属玻璃超材料承受载荷发生变形时，其变形机制为：圆柱1不变形，只发生转动，连接圆柱1的韧带2发生变形。该结构受到载荷后，圆柱1转动，韧带部分受压并发生弯曲，同时韧带2随着圆柱1的转动旋转一定角度，实现结构的宏观形变，达到承载吸能的目的，能够在吸声、吸能、减振等特定领域得到广泛的应用，比如应用于坦克、潜艇的防护装甲。由于坦克的防护装甲需要抵御炮弹的冲击贯穿，在确保安全性的前提下，同时要求重量尽量小，尽可能提高坦克的机动性，因此其装甲要求轻质、高强度、高弹性、抗冲击性能好的材料。当使用该超材料的防护装甲受到冲击载荷的作用时，由于该超材料高强度、高弹性、断裂韧性极高，而且具有负泊松比特性，该结构能够向冲击点附近收缩，造成冲击点周围材料的局部密度增大，有利于承受冲击载荷，阻碍炮弹贯穿整个装甲。此外，得益于手性微结构的内部周期性结构，防护装甲同时具有了吸声的效果，能够吸收坦克发动机以及其他仪器发出的噪声，降低被发现的概率，也给内部人员提供了合适的环境。

由于手性微结构良好的可设计性以及金属玻璃独特的力学性能，可以根据需要对结构进行设计，通过调整结构单元的圆柱1的半径以及韧带2的数量、厚度、长度和排列方式，控制该结构的变形与断裂机制，调控其整体力学性能，满足吸声、吸能、减振等不同需要。其中，由于金属玻璃的断裂机制是由其尺寸大小决定，通常大于100纳米的时候是剪切带断裂，小于100纳米的时候是塑性断裂，所以当韧带2的厚度超过金属玻璃断裂机制发生改变的临界值后，结构整体的断裂机制会发生变化，破坏形式会转变为剪切带的脆性断裂，严重影响结构整体的承载变形；同时，韧带2越厚，虽然结构整体的强度会越高，但其负泊松比现象也会越不明显。韧带2较薄的时候(小于100纳米)，韧带2的断裂属于塑性破坏，能够引起结构发生硬化现象，从而大大提高了结构的变形极限。韧带2的长度越长，或者圆柱1的半径越小，结构整体的变形与断裂机制不会发生改变，虽然结构的密度和强度会有所降低，但塑性会明显增加。

上述仅是以有四条或者六条韧带的手性微结构的金属玻璃为具体实施例，需要指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应该为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种具有手性微结构的金属玻璃超材料，其特征在于：把手性微结构运用到金属玻璃材料中，包括由金属玻璃材料制备的多个圆柱(1)以及连接圆柱的韧带(2)；

所述金属玻璃材料是快速冷却金属液体获得的非晶态金属固体，具有易加工、易成型、高弹性、高强度、耐磨损和耐腐蚀的特性；

通过改变韧带(2)厚度来调控变形与断裂机制，当韧带(2)厚度小于100纳米时，结构整体发生硬化现象和塑性破坏；当韧带(2)厚度大于100纳米时，结构整体发生剪切带脆性断裂；

通过改变韧带(2)数量、长度、排列方式或者圆柱(1)的半径来调控其整体力学性能，韧带(2)长度越长，或者圆柱(1)的半径越小，结构的密度和强度会相应降低，但是塑性会明显增加。

2.根据权利要求1所述的一种具有手性微结构的金属玻璃超材料，其特征在于：所述多个圆柱(1)是实心或者空心等截面圆柱，大小一致，且相邻圆柱之间的距离相等，为正多边形排列。

3.根据权利要求1所述的一种具有手性微结构的金属玻璃超材料，其特征在于：所述的韧带(2)具有相同的厚度，且相邻韧带的夹角均相同，采用手性排列或反手性排列。

4.根据权利要求1所述的一种具有手性微结构的金属玻璃超材料，其特征在于：每个圆柱及其连接的韧带(2)形成的手性微结构的尺度为微纳米量级，是一种具有负泊松比的轻质多孔结构。

5.根据权利要求1所述的一种具有手性微结构的金属玻璃超材料，其特征在于：每个圆柱上连接的韧带(2)的数量为三条、四条或六条。