JP2013544667A - 多層細胞状金属ガラス構造体 - Google Patents

Abstract

多層細胞状金属ガラス構造体及びそれを作成する方法が提供される。一実施形態において、細胞状金属ガラス構造体は、少なくとも１つのパターン付き金属ガラスシートと、少なくとも１つの付加的シートとを含む。少なくとも１つのパターン付き金属ガラスシートは、互いに接続されてシート群を形成する複数のシートを含むことができ、構造体は、２つの外側シートの間に挟まれたシート群を含むことができる。パターン付き金属ガラスシートは、金属ガラスシート内に２次元及び／又は３次元パターンを熱可塑的に形成することによってパターン付けすることができる。金属ガラス細胞状構造体は、爆風防御用途、エネルギー吸収用途、構造支持用途、生体医用インプラント用途、熱交換器用途、熱管理用途、電気遮蔽用途、磁気遮蔽用途、並びにデブリ及び放射線遮蔽用途を含むが、これらに限定されない種々様々な用途に有用である。
【選択図】 図１

Description

本発明は金属ガラスの多層細胞状構造体に向けられる。

細胞状の結晶金属構造体及びその製造法は公知であり、衝撃／爆風軽減システム、熱放散媒体、及び遮音用途を含む様々な用途に使用されている。これらの細胞状結晶金属構造体は、典型的にはアルミニウム又は他の金属のシートを含み、成形されていないシートの間に挟まれて接合された波形金属シートを含み、それにより、剛直で低密度の細胞状金属構造体が形成される。付与された運動エネルギーを吸収する細胞状構造体の能力は、固体材料の比強度、即ち、降伏強度を密度で割ったものに直接依存する。従って、波形金属シートに使用されているような低い比強度の固体で作られた細胞状構造体は、付与された大量の運動エネルギーを吸収できない。そのうえ、これらの構造体中の波形金属シートを製造するために用いられる材料は、限られた固体成形性を示し、波形シートの製造を難しくしている。

米国特許出願公開第２００９／０２３６０１７号明細書

Ｌ．Ｊ．Ｇｉｂｓｏｎ及びＭ．Ｆ．Ａｓｈｂｙ著、「Ｃｅｌｌｕｌａｒ Ｓｏｌｉｄｓ： Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ」、第２版、英国、ケンブリッジ、Ｃａｍｂｒｉｄｇｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｐｒｅｓｓ、１９９７年、ｐ．１−２ Ｈ．Ｎ．Ｇ．Ｗａｄｌｅｙ、「Ｍｕｌｔｉｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ Ｐｅｒｉｏｄｉｃ Ｃｅｌｌｕｌａｒ Ｍｅｔａｌｓ」、Ｐｈｉｌｏｓｏｐｈｉｃａｌ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｒｏｙａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ Ａ、２００６年、第２０６巻、ｐ．３１−６８ Ｍ．Ｆ．Ａｓｈｂｙ及びＡ．Ｌ．Ｇｒｅｅｒ、「Ｍｅｔａｌｌｉｃ Ｇｌａｓｓｅｓ ａｓ Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ」、Ｓｃｒｉｐｔａ Ｍａｔｅｒｉａｌｉａ、２００６年、第５４巻、ｐ．３２１−３２６ Ｈ．Ｎ．Ｇ．Ｗａｄｌｅｙ、Ｎ．Ａ．Ｆｌｅｃｋ及びＡ．Ｇ．Ｅｖａｎｓ、「Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ Ｐｅｒｉｏｄｉｃ Ｃｅｌｌｕｌａｒ Ｍｅｔａｌ Ｓａｎｄｗｉｃｈ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ」、Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、２００３年、第６３巻、ｐ．２３３１−２３４３ Ｌ．Ｊ．Ｇｉｂｓｏｎ及びＭ．Ｆ．Ａｓｈｂｙ著、「Ｃｅｌｌｕｌａｒ Ｓｏｌｉｄｓ： Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ」、第２版、英国、ケンブリッジ、Ｃａｍｂｒｉｄｇｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｐｒｅｓｓ、１９９７年、ｐ．１５５−１５７ Ｌ．Ｊ．Ｇｉｂｓｏｎ及びＭ．Ｆ．Ａｓｈｂｙ著、「Ｃｅｌｌｕｌａｒ Ｓｏｌｉｄｓ： Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ」、第２版、英国、ケンブリッジ、Ｃａｍｂｒｉｄｇｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｐｒｅｓｓ、１９９７年、ｐ．４２

本発明は、例えば、爆風防御、衝撃緩和、エネルギー吸収、構造支持、生体医用インプラント、熱交換器、熱管理、電気遮蔽、磁気遮蔽、並びに航空宇宙及び大気圏外用のデブリ及び放射線遮蔽などの種々様々な用途に用いることができる、金属ガラスの多層細胞状構造体に向けられる。金属ガラスは、通常の結晶金属と同程度の密度を示すが、遥かに優れた降伏強度を有する。その結果として、金属ガラスは、細胞の用途に使用されるとき、比強度及びエネルギー吸収において比類のない改良をもたらす。また、結晶金属とは異なり、金属ガラスは、ガラス転移温度を超えて加熱されたときに優れた成形性を示し、結晶化する前に室温まで冷却されたときにその機械的性質を保持する。本発明の実施形態によれば、平面状のアモルファス金属を加工して、細胞状構造体構築のための、非常に低密度で高強度の塑性変形可能な細胞状コアにする。金属ガラスは微小複製能力に優れているので、スナップ留めによる組立を可能にする突起部のような精密許容差を要求する構造体を容易に形成することができる。さらに、金属ガラスリボンの微小成形を行って、高い靭性及び延性を示すが弾性座屈に対する耐性を有する細胞状構造体を製造することができる。
本発明の上記及び他の特徴及び利点は、以下の詳細な説明を添付の図面と併せて考えながら参照することによって、より良く理解されることになる。

本発明の一実施形態による、金属ガラスシートにパターンを付ける方法の略図である。 本発明の一実施形態による、金属ガラスシートを引き伸ばす方法の略図である。 本発明の一実施形態による、金属ガラスシートに波形を付ける方法の略図である。 本発明の一実施形態による、金属ガラスシートの組立ての略図である。 Ｃｏ₆₉Ｆｅ₄Ｎｉ₁Ｍｏ₂Ｂ₁₂Ｓｉ₁₂リボンの写真であり、はめ込まれた写真は、室温でローレット工具によって作成されたリボンの塑性変形を示す。 本発明の一実施形態による、熱可塑性の波形付けの後のＣｏ₆₉Ｆｅ₄Ｎｉ₁Ｍｏ₂Ｂ₁₂Ｓｉ₁₂リボンの写真であり、はめ込まれた写真は、この波形付きリボンを含む細胞状金属ガラス構造体を示す。 本発明の一実施形態による金属ガラスシートの斜視図である。 本発明の別の実施形態による金属ガラスシートの斜視図である。 本発明の一実施形態による金属ガラス細胞状構造体の斜視図である。 本発明の別の実施形態による金属ガラス細胞状構造体の略図である。 本発明の別の実施形態による金属ガラス細胞状構造体の斜視図である。 本発明の一実施形態による金属ガラスコアの斜視図である。 本発明の別の実施形態による金属ガラスコアの斜視図である。 １１Ａから１１Ｃは本発明のさらに別の実施形態による金属ガラス細胞状構造体の斜視図である。

本発明は、細胞状金属ガラス構造体及び該構造体を作成する方法に向けられる。一実施形態において、金属ガラス構造体は少なくとも第１及び第２のシートを含み、第１及び第２のシートのうちの少なくとも１つは金属ガラスシートである。例えば、一実施形態によれば、構造体は、２つの外側シートの間に挟まれた少なくとも１つの金属ガラスシートを含む。別の実施形態において、少なくとも１つの金属ガラスシートを２つの外側シートの間に挟むことができ、構造体は少なくとも１つの中間シートをさらに含むことができる。例えば、破壊耐性及び座屈耐性を有する細胞状コアを形成するように、例えば波形を付けられ又は成形されるなど適切に構成された、少なくとも１つの金属ガラスシートを用いることより、密度が低く、強度が高く、すぐれた塑性変形能を有する構造体が提供され、これら特性の全ては高いエネルギー吸収能をもたらす。同様に構築された結晶金属シートの構造体では、これらの特性は不十分である。

細胞状構造体は、当業者によって認識されるように、単位胞の辺又は面を形成するように配置された中実の板又はシートの組立体又は網目構造である（例えば、引用によりその開示が本明細書に組み入れられる非特許文献１又は非特許文献２を参照されたい）。本発明は細胞状構造体に向けられたものであり、細胞状構造体は、本発明の目的に関して、複数の単位胞を含む格子を形成するように配置された金属ガラスシートの組立体であって、各々の単位胞がシートの厚さより広く且つシートの幅と同じ幅の面を有するものとして定義される。例証的な細胞状コア（ここで細胞状コアは細胞状構造体の単位胞である）を図１０に示し、例証的な格子構造体を図１１に示す。

一実施形態において、金属ガラスシートは、金属ガラスコアに成形することができ、該コアは面内負荷型細胞状コア（図１０Ａ）又は面外負荷型細胞状コア（図１０Ｂ）とすることができる。金属ガラスコアは、動的に負荷がかかったときに脆性破壊又は弾性座屈ではなく塑性降伏によってコアが破損することを保証することによって、得られる構造体のエネルギー吸収能を最大にするように設計することができる。コアの脆性破壊を回避するためには、金属ガラスシートの厚さを材料の「塑性領域厚」より薄くすべきである。「塑性領域厚」は、それを下回る厚さで材料がクラック形成に対する耐性を有する厚さであり、材料の破壊靭性を降伏強度で割った商の２乗に比例する。より詳細には、そのような実施形態の目的に関して、塑性領域半径（ｒ_p）は、
ｒ_p＝Ｋ_Ic ²／πσ_y ² （式１）
で定義され、式中、Ｋ_Icは金属ガラス固体のモードＩ破壊靭性であり、σ_yは金属ガラス固体の塑性降伏強度である。金属ガラス板の厚さが「塑性領域厚」（ｒ_p）より大きい場合には、曲げ又は衝撃によってσ_yに達すると板は壊損的に破壊することになる。

金属ガラスの塑性領域厚は、脆弱な合金から強靭な合金になるにつれて、典型的には、数マイクロメートルから数百マイクロメートルまで変化する（幾つかの金属ガラスの「塑性領域厚」値は、引用によりその内容全体が本明細書に組み入れられる非特許文献３に列挙されている）。例えば、アモルファスＺｒ_41.2Ｔｉ_13.8Ｎｉ₁₀Ｃｕ_12.5Ｂｅ_22.5は、σ_y＝１８００ＭＰａ及びＫ_Ic＝５５ＭＰａ・ｍ^1/2に対応して、ｒ_p〜０．３ｍｍを示す。比較すると、３０４ステンレス鋼は、σ_y＝５００ＭＰａ及びＫ_Ic＝１５０ＭＰａ・ｍ^1/2を示し、これはｒ_p〜３０ｍｍ、即ち、金属ガラスより２桁大きい値を与える。相応して、３０４ステンレス鋼製の１ｍｍ厚の板は、曲げ又は衝撃による破壊に対して非常に高い耐性を示すことになる。従って、金属ガラスは、その非常に高い強度にも関わらず、鋼のような伝統的な材料と比較して破壊耐性の点で著しく不利である。とはいえ、部品、例えばシートの断面厚がｒ_pより小さい場合には、破壊に耐えることができる。金属ガラスシートの脆性破壊に対する耐性を保証するためには、シートの厚さは金属ガラスの「塑性領域厚」を超えないようにすべきである。従って、シートの厚さは、そのシートの形成のために選択される金属ガラスに依存することになる。

検討することができる別の構造パラメータは、コア自体の幾何学的形状である。一実施形態において、例えば、コアは、特性「コアアスペクト比」（負荷方向のコアの高さをシートの厚さで割った商で近似することができる）が、コアの座屈が可能となる臨界値を好ましくは超えないようにすることを保証にすることによって、弾性座屈を回避するように構成することができる。臨界「コアアスペクト比」は、コアの設計形状のみならず材料の弾性歪み限界によって決定される。金属ガラスの弾性歪み限界は、ほとんどの結晶金属の弾性歪み限界よりも遥かに大きい値である約０．０２である。従って、弾性歪み限界が高いので、金属ガラスコアは一般に、弾性座屈を避けるためには同じ設計形状の結晶金属コアよりも低いアスペクト比を有するべきである。

種々異なるコア設計形状がコア座屈の基準を決定する様式は、引用によりその内容全体が本明細書に組み入れられる非特許文献４に論じられている。コアが弾性座屈に耐えられることを保証するためには、「コアアスペクト比」がコア座屈に関連付けられた臨界値を超えないようにするべきである。従って、シートの「コアアスペクト比」は、選択されたコア設計形状及びかけられる負荷の方向に依存することになる。従って、厚さが小さいシートが選択されたときには、「コアアスペクト比」がコア座屈に関連付けられた臨界値を超えないように維持するためには、細胞状コアは高さも同様に小さく作成することが好ましい。そのような１つの事例は、微視的「塑性領域厚」で特徴付けられる脆弱な金属ガラスが選択されたときに生じ得る。その場合には、脆性破壊を避けるために微視的なシート厚が要求され、それに応じて、弾性座屈を避けるために微視的なコア高さが要求される。そのような場合には、破壊耐性及び座屈耐性を有する微小コアを作成する上で、微小シートの微小波形付けが役立つ。

細胞状構造体の幾何学的形状が破壊及び座屈の両方を回避するための上記基準を満たすとすれば、該構造体は塑性降伏によって破損することになると予期される。塑性崩壊のもとでの破壊応力は、構造体が座屈又は破壊のいずれかで破損する場合に生じるはずの破壊応力よりも高くなるであろう。

構造体の金属ガラスシートは、任意の適切な金属ガラス合金で作成することができる。適切な金属ガラス合金の非限定的な例としては、Ｆｅベースの合金、Ｃｏベースの合金、Ｍｇベースの合金、Ａｌベースの合金、Ｚｒベースの合金、Ａｕベースの合金、Ｐｔベースの合金、Ｎｉベースの合金、Ｃｕベースの合金、Ｔｉベースの合金、Ｐｄベースの合金、及び希土類ベースの合金が挙げられる。具体的には、適切なＦｅベースの合金の１つの非限定的な例はＦｅ₈₀Ｃ₈Ｐ₁₂であり、適切なＣｏベースの合金の１つの非限定的な例はＣｏ₆₉Ｆｅ₄Ｎｉ₁Ｍｏ₂Ｂ₁₂Ｓｉ₁₂であり、適切なＭｇベースの合金の１つの非限定的な例はＭｇ₆₅Ｇｄ₁₀Ｃｕ₂₅であり、適切なＡｌベースの合金の１つの非限定的な例はＡｌ₈₅Ｎｉ₆Ｆｅ₃Ｇｄ₆であり、適切なＺｒベースの合金の１つの非限定的な例はＺｒ₅₇Ｎｂ₅Ｃｕ₁₅Ｎｉ₁₃Ａｌ₁₀であり、適切なＡｕベースの合金の１つの非限定的な例はＡｕ₄₉Ａｇ_5.5Ｐｄ_2.3Ｃｕ_26.9Ｓｉ_16.3であり、適切なＰｔベースの合金の１つの非限定的な例はＰｔ_57.5Ｎｉ_5.3Ｃｕ_14.7Ｐ_22.5であり、適切なＮｉベースの合金の１つの非限定的な例はＮｉ₆₀Ｎｂ₃₅Ｓｎ₅であり、適切なＰｄベースの合金の１つの非限定的な例はＰｄ_77.5Ｃｕ₆Ｓｉ_7.5であり、適切な希土類ベースの合金の１つの非限定的な例はＬａ₅₅Ａｌ₂₅Ｎｉ₂₀である。

少なくとも１つの波形付き金属ガラスシートに加えて、本発明の実施形態による構造体は、外側シート又は中間シートのような少なくとも１つの付加的なシートをさらに含む。この付加的なシートの材料は、任意の適切な材料とすることができる。このシートのための適切な材料の非限定的な例としては、ポリマー、エポキシ、ガラス、木材、セラミックス、金属（例えば、高強度シートメタル）、金属ガラス（上記のものなど）及びこれらの複合体が挙げられる。さらに、一実施形態において、付加的なシートは、金属ガラスシートと同じ材料で作成することができる。１つより多くの付加的シートを含む実施形態において、付加的シート同士は、同じ材料で作成することも又は異なる材料で作成することもできる。

構造体の少なくとも１つの金属ガラスシートは、好ましくは、やはり材料の「塑性領域厚」を下回る厚さを有し、且つ、２Ｄ及び／又は３Ｄ格子構造を生成するようにパターン付けされる。前述のように、このシートは、コア座屈に関連付けられる臨界値より小さい「コアアスペクト比」を有する細胞状コアに成形することができる。一実施形態においては、例えば、図７Ａに示すように、金属ガラスシート１２は、該シート内のスリット又は小開口部１３のような２Ｄ構造を含む。金属ガラスシート内に切り込まれたスリット又は開口部として図示したが、２Ｄパターンは任意の適切なパターンとすることができる。例えば、図５に示すように、シート内のスリット又は開口部の代わりに、２Ｄパターンはシート表面内の圧痕とすることができる。図５は、室温においてローレット工具による塑性変形を受けた金属ガラスシートを示す。

別の例証的な実施形態において、図６に示すように、金属ガラスシート１２は、波形パターン１５のような３Ｄパターンを含む。この３Ｄパターンは概ね正弦曲線のパターンとして示されているが、任意の適切な３Ｄパターンを用いることができる。例えば、概ね正弦曲線の形状に加えて、３Ｄパターンはジグザグ又は類似の形状にすることができる。

さらに別の実施形態において、金属ガラスシート１２は、２Ｄ構造及び３Ｄ構造の両方を含む。例えば、図７Ｂに示すように、シートは、スリット又は開口部１３と波形パターン１５との両方を含むことができる。

少なくとも１つの付加的シートにもパターン付けして、該シート内に２Ｄ及び／又は３Ｄ構造を生成することもできる。金属ガラスシートに関して上で論じた２Ｄ及び３Ｄパターンは、少なくとも１つの付加的シートに関してもまた有用である。

図８に示すように、本発明の一実施形態によれば、金属ガラス構造体１０は、２つの外側シート１４の間に挟まれた少なくとも１つのパターン付き金属ガラスシート１２を含む。一実施形態において、図９Ａに示すように、少なくとも１つの金属ガラスシートは、互いの上に積み重ねられるか又はそれ以外の方法で結合されて金属ガラスシート群１２ａを形成する、少なくとも２つの金属ガラスシート１２を含む。図９Ａに示すように、この金属ガラスシート群１２ａを２つの外側シート１４の間に挟んで、金属ガラス構造体１０ａを完成することができる。代替的に、図９Ｂに示すように、金属ガラスシート群１２ａを１つ又はそれ以上の中間シート１６で分離して、多段金属ガラス構造体１０ｂを形成することができる。

本発明の別の実施形態において、金属ガラス構造体を作成する方法は、最初に、平坦な金属ガラスシートを熱可塑性成形実行温度に加熱することによってパターン付き金属ガラスシートを作成することを含む。この温度は、平坦な金属ガラスシートを構成する材料のガラス転移温度（Ｔ_g）と結晶化温度（Ｔ_x）との間の任意の温度とすることができる。次に、シート内に所望の２Ｄ及び／又は３Ｄパターンを形成するために適当な圧力が印加される。一実施形態において、その圧力は約１ＭＰａから約１０，０００ＭＰａまでの範囲とすることができる。パターンを形成した後、金属ガラスシートは、結晶化する前に冷却される。

図１から図３までは、本発明の一実施形態によるパターン付き金属ガラスシートを作成する例証的な方法を示す。図１に示すように、最初に、レーザなどの切削ツール１７０を用いて平坦な金属ガラスシート１２０内にスリット１３０を作成することによって該シート内に２Ｄパターンが形成され、２次元パターン付き金属ガラスシート１２０ａが形成される。２次元パターン付き金属ガラスシート１２０ａは次に、レーザなどの適切なツールを用いて所定のサイズにトリミングされる。次に、図２に示すように、２次元パターン付きシート１２０ａを熱可塑性成形実行温度に加熱して、所望の長さに引き伸ばし又はそれ以外の方法で拡張する。シートに付与された２Ｄパターンに応じて、引伸し又は拡張により、開放格子系、閉鎖格子系、又は、２Ｄパターンに応じた表面テクスチャを有する圧痕表面を作り出すことができる。図３に示すように、２次元パターン付き金属ガラスシート１２０ａは次に、熱可塑性成形実行温度に加熱され、３次元パターンが付けられて、３次元パターン付き金属ガラスシート１２０ｂが形成される。

任意の適切な手段によって、金属ガラスシートに３次元パターンを付けることができる。そのような適切な手段の非限定的な例としては、吹込み成形、射出成形、インベストメント鋳造、超塑性成形、熱間鍛造、爆発衝撃成形、引伸し、曲げ及び折り畳みが挙げられる。

例証的な一実施形態において、図３に示すように、金属ガラス板は、２つのローラードラム２００ａ及び２００ｂの間を通すことによって３次元パターン付けされる。ローラードラム２００ａ及び２００ｂは概ね円筒状で、その長さ及び円周上に、それぞれ歯２１０ａ及び２１０ｂを有する。第１のローラードラム２００ａの歯２１０ａは、第２のローラードラム２００ｂの歯２１０ｂと係合する。２次元パターン付き金属ガラスシート１２０ａは、第１のローラードラム２００ａの歯２１０ａと第２のローラードラム２００ｂの歯２１０ｂとの間を通される。ローラードラム２００ａ及び２００ｂの歯２１０ａと２１０ｂとの間を通ると、２次元パターン付き金属ガラスシート１２０ａは、ローラードラム２００ａ及び２００ｂの歯２１０ａ及び２１０ｂによってシート１２０ａに及ぼされる圧力で３次元パターン付けされる。上記の方法は、２次元及び３次元の両方でパターン付けされるシートに関連して説明し図示したが、本方法は、２次元のみ又は３次元のみでパターン付けされたシートを作成するように修正することができることを理解されたい。例えば、２次元のみでパターン付けされたシートを作成するためには、シートの第２の加熱ステップ及びシートをローラードラムに通すステップを省くことができる。また、３次元のみでパターン付けされたシートを作成するためには、シート内にスリットを切り込むステップ及びシートを拡張するステップを省くことができる。

ローラードラム２００ａ及び２００ｂの歯２１０ａ及び２１０ｂは、任意の適切な形状にすることができる。例えば、図３に示すように、歯を略台形の形状にして、略台形型の峰及び谷を含む３次元パターンを有するシートを形成することができる。代替的に、歯は、略円形又は半円形、略卵形又は半卵形、略正方形、略長方形、又は略三角形の形状にすることができる。しかし、歯はこれらの形状に限定されず、シート内に所望の３Ｄパターンを作成するのに適した任意の形状にすることができる。

本発明の一実施形態において、図３に示すように、３次元パターン付き金属ガラスシートは、スナップ嵌め締結具又は位置決め用位置合せピンとして機能する小さい突起２２０を含む。金属ガラスシートの一方の側から見ると、突起２２０は、実際にシートの表面から外向きに延びた突起である。しかし、シートの反対側からみると、突起２２０はシート表面内の窪みである。これらの突起２２０は、金属ガラスシート同士を互いにすばやく確実に取り付けて金属ガラス構造体の構築に使用するための金属ガラスシート群を形成することを可能にする。金属ガラスシート内にこれらの突起２２０を形成するために、ローラードラム２００ａは、歯２１０ａの間のスペースに突起２３０ａを含み、歯２１０ａは、突起２３０ｂを含む。また、ローラードラム２００ｂは、歯２１０ｂの間のスペースに窪み２４０ａを含み、歯２１０ｂは、突起２４０ｂを含む。ローラードラム２００ａ及び２００ｂを回転させると、ローラードラム２００ａ上の突起２３０ａがローラードラム２００ｂの歯２１０ｂ上の窪み２４０ｂと係合し、歯２１０ａ上の突起２３０ｂがローラードラム２００ｂ上の窪み２４０ａと係合する。金属シートがローラードラム２００ａ及び２００ｂを通過するとき、突起２３０ａ及び２３０ｂは、金属ガラスシートの一部分を窪み２４０ｂ及び２４０ａの中に押し込み、それにより金属ガラスシートの峰及び谷に小さい突起２２０を形成させる。

２Ｄ及び／又は３Ｄパターンを有する金属ガラスシートは、図６に示すように、過冷却液体状態で熱可塑的に形成することができ、この図は熱可塑的に波形をつけたＣｏ₆₉Ｆｅ₄Ｎｉ₁Ｍｏ₂Ｂ₁₂Ｓｉ₁₂のリボンを示す。このようなリボンを用いて、９８％の間隙率に対応する約０．１７ｇ／ｃｃの細胞密度を有する細胞状構造体（図６中のはめ込まれた図に示す）を作成することができる。

金属ガラス構造体は、任意の適切な方法で組み立てることができる。前記のように、構造体は、２つの外側シートの間に挟まれた１つ又はそれ以上のパターン付き金属ガラスシートを含むことができ、又は、中間層で隔てられ、２つの外側シートの間に挟まれたパターン付き金属ガラスシート群を含むことができる。１つより多くのパターン付き金属ガラスシートを含む実施形態において、シートは、任意の適切な手段により、積み重ねるか又はそれ以外の方式で接続し若しくは組み合わせることができる。そのような適切な手段の非限定的な例としては、溶接、スポット溶接、レーザ溶接、電子ビーム溶接、はんだ付け、接着剤の使用、スナップ嵌めの使用、拡散接合、過渡的溶融（ｔｒａｎｓｉｅｎｔ ｍｅｌｔｉｎｇ）、過冷却液体領域における熱可塑性接合、及び、介在する低ガラス転移温度合金を通しての接合が挙げられる。

金属ガラスシートがスナップ嵌め突起（図３に示す）を含む実施形態においては、金属ガラスシートはスナップ嵌め突起２２０によって接続することができる。図４は、突起２２０を含む金属ガラスシートを接続する１つの方法を示す。図に示すように、各々の金属ガラスシートは、峰の上の突起２２０ａ及び谷の上の突起２２０ｂを含む。２つのシートを接続するとき、上のシートの峰上の突起２２０ａが下のシートの谷上の突起２２０ｂに位置合せされる。突起２２０ｂが突起２２０ａの窪みにスナップ嵌めされて上と下のシートが接続される。任意の数の金属ガラスシートをこのようにして接続して、図４に示すような金属ガラスシート群を形成することができる。

所望の数のパターン付き金属ガラスシートを接続した後、得られたパターン付き金属ガラスシート群を２つの外側シートの間に挟むことができ、又は、中間シートで分離して多段構造体を形成することができ、次にこれを２つの外側シートの間に挟むことができる。パターン付き金属ガラスシートは、任意の適切な手段によって外側シート又は中間シートに接続することができる。そのような適切な手段の非限定的な例としては、溶接、スポット溶接、レーザ溶接、電子ビーム溶接、はんだ付け、接着剤の使用、スナップ嵌めの使用、拡散接合、過渡的溶融、過冷却液体領域における熱可塑性接合、及び、介在する低ガラス転移温度合金を通しての接合が挙げられる。

スナップ嵌め突起を含むパターン付き金属ガラスシートを用いて金属ガラス構造体を作成するためには、金属ガラスシート群の中の一番上の金属ガラスシートの峰上の突起２２０ａを省くことができる。このシートはそれでもなお、下のシートとの接続を容易にする谷の中の突起２２０ｂを含むが、峰上の突起２２０ａを省いて、構造体の外側シートに対する一番上のシートの接続を改善することができる。谷上の突起２２０ｂを有するが峰上の突起を排除した一番上のパターン付き金属ガラスシートを製作するために、それに応じてローラードラム２００ａ及び２００ｂを修正することができる。例えば、ローラードラム２００ａは歯２１０ａの間のスペースに突起２３０ａを含むが、歯２１０ａは突起を含まない。また、ローラードラム２００ｂは、歯２１０ｂの間のスペースに窪みを含まないが、歯２１０ｂは突起２４０ｂを含む。ローラードラム２００ａ及び２００ｂを回転させると、ローラードラム２００ａの突起２３０ａが、ローラードラム２００ｂの歯２１０ｂ上の窪み２４０ｂと係合する。金属シートがローラードラム２００ａ及び２００ｂを通過するとき、突起２３０ａが金属ガラスシートの一部分を窪み２４０ｂの中に押し込み、それにより金属ガラスシートの谷にのみ小さい突起２２０が形成される。

本発明による多層細胞状金属ガラス構造体は、任意の適切な用途に用いることができる。そのような適切な用途の非限定的な例としては、家庭用電子機器用ケーシング及びフレーム、爆風防御用途、エネルギー吸収用途、構造支持用途、生体医用インプラント用途、熱交換器用途、熱管理用途、電気遮蔽用途、磁気遮蔽用途、並びに、航空宇宙及び大気圏外用のデブリ及び放射線遮蔽の用途が挙げられる

例証的実施形態
例証的な一実施形態において、多層細胞状金属ガラス構造体は、家庭用電子機器用のフレーム及びケーシングに向けられる。金属ガラスはその非常に高い強度及び低い弾性率のため、優れた耐食性と共に、非常に高い引っ掻き抵抗性及び弾性を有しており、その結果として家庭用電子機器のフレームのための魅力的な材料と考えられている。例えば、アモルファスＺｒ_41.2Ｔｉ_13.8Ｎｉ₁₀Ｃｕ_12.5Ｂｅ_22.5は、１８００ＭＰａの降伏強度を示し、これは３０４ステンレス鋼のほぼ４倍である。このような高い強度は、実際、電子機器フレーム用途に対して十分以上である考えられる。しかし、これらの魅力的な性質にも関わらず、金属ガラスは一般に低い破壊靭性を示し、傷に対して非常に敏感であり、その結果として、金属ガラスのフレームは、しばしば曲げ又は衝撃によって脆性破壊しがちである。

特に、金属ガラス板の厚さがｒ_pより大きい場合、曲げ又は衝撃によってσ_yに達すると板は壊損的に破壊することになる。金属ガラスのｒ_pは、脆弱な合金から強靭な合金になるにつれて、典型的には、数マイクロメートルから数百マイクロメートルまで変化する。例えば、アモルファスＺｒ_41.2Ｔｉ_13.8Ｎｉ₁₀Ｃｕ_12.5Ｂｅ_22.5は、σ_y＝１８００ＭＰａ及びＫ_Ic＝５５ＭＰａ・ｍ^1/2に対応して、ｒ_p〜０．３ｍｍを示す。比較すると、３０４ステンレス鋼は、σ_y＝５００ＭＰａ及びＫ_Ic＝１５０ＭＰａ・ｍ^1/2を示し、これはｒ_p〜３０ｍｍ、即ち、金属ガラスより２桁大きい値を与える。相応して、３０４ステンレス鋼製の１ｍｍ厚の板は、曲げ又は衝撃による破壊に対して非常に高い耐性を示すことになる。従って、金属ガラスは、その非常に高い強度にも関わらず、鋼のような伝統的な材料と比較して破壊耐性の点で著しく不利である。この欠点は、破壊に耐えられるように、ｒ_pより小さい厚さを有する板を製造することによって克服することが潜在的に可能である。しかし、極薄の金属ガラス板を製造するには、長く薄い溝の中で粘稠な金属ガラス液体を成形するのに必要な圧力が極端に高くなりことがあるので、加工上かなりの難題に直面してきた。

家庭用電子機器ケーシングの実施形態において、図１１Ａから１１Ｃまでに示されるような細胞状の構造（１０００）（その開示が引用により本明細書に組み入れられる非特許文献２を参照されたい）を少なくとも部分的に金属ガラスから製造して、家庭用電子機器用のフレームとして使用することが提案されており、但し、その構造体は、強度を著しく損なうことなく適切な靭性をもたらすように設計されることを条件とする。具体的には、上記のように、この構造体は、２つの平坦シート（１０１４）の間の、格子（１０１２）構造としてパターン付け及び／又は配置された１つ又はそれ以上の金属ガラスシート（１０１０）から成る。この実施形態においては、少なくとも格子層は金属ガラスで形成され、特に重要なことは、金属ガラスシートの厚さが、式１によって決定される金属ガラスの「塑性領域厚」（ｒ_p）よりも小さくなるように設計されること、及び、格子が金属ガラス固体の塑性崩壊強度の少なくとも５０％の塑性崩壊強度を示すように設計されることである。

例証的な一実施形態において、アモルファスＺｒ_41.2Ｔｉ_13.8Ｎｉ₁₀Ｃｕ_12.5Ｂｅ_22.5（σ_y＝１８００ＭＰａ）で作られた六方格子を有するハニカムパネル（図１１Ａに模式的に示す）を考える。パネルは高さh＝０．６ｍｍを有し、支柱は厚さｔ＝０．１５ｍｍを有する。金属ガラスの厚さは、構造体全域でｒ_pを下回るので、この構造体は、衝撃又は曲げによる破壊に適切に抵抗し、従って塑性降伏によって破損すると予期することができる。

そのような塑性降伏的破損のもとで、面外負荷がかかった六方ハニカム格子を有する例証的な細胞状構造体の塑性崩壊応力σは、以下のように計算することができる（例えば、引用によりその開示が本明細書に組み入れられる非特許文献５を参照されたい）。
σ＝５．６σ_y（ｔ／ｌ）^5/3 （式２）
式中、σ_yは材料の塑性降伏強度であり、ｔはシートの厚さであり、ｌは細胞面の幅である。ｔ＝０．１５ｍｍ、ｌ＝０．６ｍｍ、及びσ_y＝１８００ＭＰａを代入すると、σ＝１０００ＭＰａが得られる。従って、この構造体は、金属ガラスの塑性降伏強度の５０％を上回る（且つ３０４ステンレス鋼の２倍の）塑性降伏強度を示す一方で、曲げ又は衝撃による破壊に耐えることができる。

興味深いことに、細胞状パネルはまた、同じ厚さのモノリシック板よりも遥かに低い密度を有することになり、これは家庭電子機器用途において非常に望ましいことである。モノリシック固体の密度ρ_sに対する本構造体の密度ρの比は、六方ハニカム格子を有する例証的な細胞状構造体に関して次式で計算することができる（例えば、引用によりその開示が本明細書に組み入れられる非特許文献６を参照されたい）。

ｔ＝０．１５ｍｍ、ｌ＝０．６ｍｍを代入すると、

が得られ、即ち、そのような構造の細胞状パネルは、同じ厚さのモノリシック板よりも７０％低い密度を有することなる。

例証的な格子の崩壊強度は金属ガラス降伏強度の５６％であるが、密度は金属ガラスの密度の３０％に過ぎないので、強度を密度で割った商として定義される格子の比強度は、金属ガラスの比強度よりも８５％大きいことになる。

任意の格子構造体の塑性崩壊強度（σ）は、より一般的に、σ＝Ａσ_y（ｔ／ｌ）ⁿのように表すことができ、ここでσ_yは金属ガラスの塑性降伏強度であり、ｔはシートの厚さであり、ｌは細胞面の幅であり、Ａは４と７との間にあって、より好ましくは約６であり、ｎは１と３との間にあって、より好ましくは約２である。

また、任意の格子の密度（ρ）は、より一般的に、ρ＝Ｂρ_s（ｔ／ｌ）のように表すことができ、ここでρ_sは金属ガラスの密度であり、ｔはシートの厚さであり、ｌは細胞面の幅であり、Ｂは１と３との間にあって、より好ましくは約２である。

さらに、前述のように、ｔ＝０．１５ｍｍ、ｈ＝０．６ｍｍの六方金属ガラスハニカムパネルを製造することは、ｔ＝０．１５ｍｍのモノリシック金属ガラス板を製造するよりもかなり容易である。なぜなら、長い０．１５ｍｍの金属ガラス板を成形することとは対照的に、パネルは、０．６ｍｍの金属ガラス板をパターン付けすることによって製造することができるからである。具体的には、金属ガラス板を、ガラス転移温度を超えて過冷却液体領域に至るまで加熱し、直立した六角形の鋳型格子に押しつけて、鋳型格子を複製（微小複製）することができる。金属ガラス板を加熱する方法としては、炉による加熱、誘導加熱（例えば、ＲＦコイルを使用する）、又はオーム加熱（例えば、引用によりその開示が本明細書に組み入れられる特許文献１におけるようにコンデンサを用いる）が挙げられるが、これらに限定されない。鋳型格子用の材料としては、銅、青銅、アルミニウム、鋼、シリコン、機械加工可能なセラミック、サファイアが挙げられるが、これらに限定されない。

可能な格子構造の例を図１１Ａから図１１Ｃまでに示す。幾つかの実施形態を示すが、例えば、ハニカム、角柱、トラス、織物、及び泡状構造体を含む任意の適切な細胞状構造体を本発明で用いることができる。

次に、細胞状構造体は、任意の適切な電子機器用のフレーム又はケーシングに組み込むことができ、このフレーム又はケーシングは例えば、
・少なくとも１つの筐体を定める壁を有するボディを備え、該筐体が少なくとも１つの電子部品を少なくとも部分的に包むように設計された、ケーシング又はフレーム、
・少なくとも１つの開口部をさらに備えるフレーム、
・少なくとも１つの電子部品へのアクセスを可能にするように設計された開口部を有するフレーム、
・少なくとも２つの個別の部片を備えるフレーム、
・個別の部片が固定又は可動のいずれかで取付けられたフレーム、
・個別の部片が、接着剤、ネジ、及びスナップコネクタから成る群からの１つのコネクタによって互いに接合されるフレーム。
・ＴｉＮ、ＳｉＣ及びダイアモンドから成る群から選択された高硬化材料でさらに被覆された少なくとも１つの部分を有するフレーム、
・陽極酸化された少なくとも１つの部分を有するフレーム、
・陽極酸化されて虹色を呈する少なくとも１つの部分を有するフレーム、
・携帯電話、ＰＤＡ、ポータブルコンピュータ、及びデジタルカメラの群から選択された機器のためのケースの形態のフレーム、及び
・電子部品に対して、少なくとも部分的な電子妨害防御を与えるフレーム、
を含む。

本発明を特定の例証的実施形態を参照して図示し説明してきたが、当業者であれば、以下の特許請求の範囲によって定められる本発明の趣旨及び範囲から逸脱せずに、説明された実施形態に対して種々の修正及び変更を加えることができることを理解する。

１２：金属ガラスシート
１３：スリット又は小開口部
１４：外側シート
１５：波形パターン
１６：中間シート
１２０：平坦な金属ガラスシート
１２０ａ：２次元パターン付き金属ガラスシート
１２０ｂ：３次元パターン付き金属ガラスシート
１３０：スリット
１７０：切削ツール
２００ａ、２００ｂ：ローラードラム
２１０ａ、２１０ｂ：歯
２２０、２２０ａ、２２０ｂ：シートの突起
２３０ａ、２３０ｂ：突起
２４０ａ、２４０ｂ：窪み

Claims (29)

1. 少なくとも１つの細胞を含む格子を形成するように構成された少なくとも１つの金属ガラスシートと、
   前記格子の少なくとも１つの水平側の上に配置された少なくとも部分的に平坦な少なくとも１つのシートと、
   を備え、
   前記少なくとも１つの金属ガラス格子は、該金属ガラスの塑性領域半径より小さい厚さを有する、
   ことを特徴とする細胞状構造体。
2. 少なくとも部分的に平坦な少なくとも２つのシートを備え、前記少なくとも１つの金属ガラス格子は、前記少なくとも２つのシートの間に配置されることを特徴とする、請求項１に記載の細胞状構造体。
3. 前記少なくとも部分的に平坦な少なくとも１つのシートは、金属ガラスを含むことを特徴とする、請求項１に記載の細胞状構造体。
4. 前記少なくとも部分的に平坦な少なくとも１つのシートは、前記金属ガラスの前記塑性領域半径より小さい厚さを有することを特徴とする、請求項３に記載の細胞状構造体。
5. 前記格子の幾何学的形状は、該格子の塑性崩壊強度が前記金属ガラスの塑性降伏強度の少なくとも５０％となるように構成されることを特徴とする、請求項１に記載の細胞状構造体。
6. 前記格子の幾何学的形状は、該格子の密度が前記金属ガラスの密度の５０％未満となるように構成されることを特徴とする、請求項１に記載の細胞状構造体。
7. 前記格子の幾何学的形状は、該格子の比強度が前記金属ガラスの比強度より大きくなるように構成されることを特徴とする、請求項１に記載の細胞状構造体。
8. 前記金属ガラスの前記塑性領域半径（ｒ_p）は式、ｒ_p＝Ｋ_Ic ²／πσ_y ²によって決定され、ここでＫ_Icは前記金属ガラスのモードＩ破壊靭性であり、σ_yは該金属ガラスの塑性降伏強度であることを特徴とする、請求項１に記載の細胞状構造体。
9. 前記格子の前記塑性崩壊強度（σ）は式、σ＝Ａσ_y（ｔ／ｌ）ⁿによって決定され、ここでσ_yは前記金属ガラスの塑性降伏強度であり、ｔは前記シートの厚さであり、ｌは前記細胞面の幅であり、Ａは４と７との間にあり、ｎは１と３との間にあることを特徴とする、請求項１に記載の細胞状構造体。
10. Ａは約６であり、ｎは約２であることを特徴とする、請求項９に記載の細胞状構造体。
11. 前記格子の密度（ρ）は式、ρ＝Ｂρ_s（ｔ／ｌ）によって決定され、ここでρ_sは前記金属ガラスの密度であり、ｔは前記シートの厚さであり、ｌは前記細胞面の幅であり、Ｂは１と３との間にあることを特徴とする、請求項１に記載の細胞状構造体。
12. Ｂは約２であることを特徴とする、請求項１１に記載の細胞状構造体。
13. 前記少なくとも１つの金属ガラス格子は、Ｆｅベース合金、Ｃｏベース合金、Ｍｇベース合金、Ａｌベース合金、Ｚｒベース合金、Ｔｉベース合金、Ａｕベース合金、Ｐｔベース合金、Ｎｉベース合金、Ｐｄベース合金及び希土類ベース合金から成る群から選択される材料を含むことを特徴とする、請求項１に記載の細胞状構造体。
14. 前記少なくとも部分的に平坦な少なくとも１つのシートは、ポリマー、エポキシ、ガラス、木材、セラミックス、金属、金属ガラス及びこれらの複合体から成る群から選択される材料を含むことを特徴とする、請求項１に記載の細胞状構造体。
15. 前記少なくとも部分的に平坦な少なくとも１つのシートは、前記格子と同じ金属ガラスを含むことを特徴とする、請求項１に記載の細胞状構造体。
16. 前記格子は、ハニカム、角柱、六角形、四角形、三角形、菱形及びトラスから成る群から選択される幾何学的形状を有することを特徴とする、請求項１に記載の細胞状構造体。
17. 少なくとも１つの筐体を定める壁を有するボディを備え、前記筐体は少なくとも１つの電子部品を少なくとも部分的に包むように設計されており、
    前記ボディの少なくとも一部分は、少なくとも１つの細胞を含む格子を形成するように構成された少なくとも１つの金属ガラスシート、及び、前記格子の少なくとも１つの水平側の上に配置された少なくとも部分的に平坦な少なくとも１つのシートから形成され、
    前記少なくとも１つの金属ガラス格子は、該金属ガラスの塑性領域半径より小さい厚さを有する、
    ことを特徴とする細胞状の電子機器ケーシング又はフレーム。
18. 少なくとも部分的に平坦な少なくとも２つのシートを備え、前記少なくとも１つの金属ガラス格子は、前記少なくとも２つの中実シートの間に配置されることを特徴とする、請求項１７に記載のケーシング。
19. 前記少なくとも部分的に平坦な少なくとも１つのシートは、金属ガラスで形成されることを特徴とする、請求項１７に記載のケーシング。
20. 前記少なくとも部分的に平坦な少なくとも１つのシートは、前記金属ガラスの前記塑性領域半径より小さい厚さを有することを特徴とする、請求項１９に記載のケーシング。
21. 前記格子の幾何学的形状は、該格子の塑性崩壊強度が前記金属ガラスの塑性降伏強度の少なくとも５０％となるように構成されることを特徴とする、請求項１７に記載のケーシング。
22. 前記格子の幾何学的形状は、該格子の密度が前記金属ガラスの密度の５０％未満となるように構成されることを特徴とする、請求項１７に記載のケーシング。
23. 前記格子の幾何学的形状は、該格子の比強度が前記金属ガラスの比強度より大きくなるように構成されることを特徴とする、請求項１７に記載のケーシング。
24. 前記格子は、ハニカム、角柱、六角形、四角形、三角形、菱形及びトラスから成る群から選択される幾何学的形状を有することを特徴とする、請求項１７に記載のケーシング。
25. 前記ボディは少なくとも１つの開口部を有することを特徴とする、請求項１７に記載のケーシング。
26. 前記少なくとも１つの開口部は、前記少なくとも１つの電子部品へのアクセスを可能にするように構成されることを特徴とする、請求項２５に記載のケーシング。
27. 前記ボディは、固定又は可動に相互接続された少なくとも２つの個別の部片を含むことを特徴とする、請求項１７に記載のケーシング。
28. 前記ボディは、携帯電話、ＰＤＡ、ポータブルコンピュータ及びデジタルカメラから成る群から選択される電子機器のケーシングを形成することを特徴とする、請求項１７に記載のケーシング。
29. 前記ケーシングは、前記電子部品に対して、少なくとも部分的な電子妨害防御を与えることを特徴とする、請求項１６に記載のケーシング。