[发明专利]制备非晶合金丝的设备和方法

说明书

技术领域

本发明属于材料技术领域，尤其涉及非晶合金材料的制备。

背景技术

非晶合金是采用现代冶金技术合成的一种比普通金属强度高得多，且具有高弹性低模量等特性的新型合金材料。非晶合金首先是在20世纪60年代由加利福尼亚理工学院的杜威兹等人开发成功的。他们采用一种快速凝固工艺，把合金熔体以每秒一百万度的速率快速冷却的方法（急冷法)制得Au-Si金属玻璃。即将高温合金熔液，喷射到高速旋转的冷却铜辊上，使熔体快速冷却，以致金属熔体中原子的无序结构来不及重排，从而得到非晶合金。

在这之后，人们得到了很多不同体系和种类的非晶合金，积累了该材料在科学和工程方面的大量数据，并在不少领域得到应用。非晶合金具有很多独特的力学及功能特性，表面超光滑非晶合金丝更是引起了人们极大的兴趣。目前，金属丝和玻璃丝在工程应用与科学研究方面引起了人们广泛的兴趣。

目前制备表面超光滑非晶合金丝的方法有水纺法、熔体甩丝法以及用快速牵引法等。但这些方法制备出纳米级表面超光滑非晶合金丝金属丝的制备效率与玻璃丝的制备相比要低很多，制备成本也高很多，而且，非晶合金丝金属丝的尺寸可控性与表面质量远不如玻璃丝。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术问题之一或至少提供一种有用的商业选择。

为此，本发明的一个目的在于提出一种具有操作简单、效率高、成本低且尺寸可控性高的制备非晶合金丝的设备。

本发明的另一个目的在于提出一种制备方法简单、效率高、成本低的制备非晶合金丝的方法。

蜘蛛丝尤其是其牵引丝(dragline silk)在力学性能上具有蚕丝及一般合成纤维无法比拟的优点。主要表现在强度高、弹性好、初始模量大、断裂功大,它是迄今为止所知道的最强韧的材料,其比强度是钢的5倍,韧性是芳纶纤维Kevlar的3倍。此种材料在国外被誉为“生物钢”(Biosteel),在航空材料、复合材料等领域有着巨大的潜在用途,可以用作降落伞绸、防弹衣、外科手术缝合线等。本发明人在此基础上，研究了利用仿生蜘蛛吐丝法来制备非晶合金丝，从而完成了本发明。

根据本发明第一方面实施例的制备非晶合金丝的设备，包括：真空室；夹持装置，所述夹持装置设置在所述真空室内以用于夹持非晶合金基材；加热装置，所述加热装置用于将所述非晶合金基材加热至过冷液相区；以及配重块，所述配重块用于连接在所述非晶合金基材的下端，以将处于过冷液相区的非晶合金基材拉成所述非晶合金丝。

根据本发明实施例的制备非晶合金丝的设备，在非晶合金基材被加热至过冷液区后，在重力牵引使其发生塑性变形来进行拉丝，这利用了仿生蜘蛛吐丝法，拉丝的时机不是人为干预，而是利用了基材本身（必要时并配以配重块）的重力将丝拉出并拉长，从而得到微纳米尺度的表面超光滑非晶合金丝。

根据本发明的实施例，所述加热装置包括高频感应加热线圈和/或电阻加热炉。

在本发明的一些实施例中，所述设备还包括：抽真空设备，所述抽真空设备与所述真空室相连，以用于对所述真空室提供真空环境。

在本发明的一些示例中，所述抽真空设备包括机械泵和分子泵，其中，所述机械泵用于为所述真空室提供初级真空环境，所述分子泵用于为所述真空室提供终极真空环境，且所述终极真空环境的真空度大于所述初级真空环境的真空度。

在本发明的一些实施例中，所述设备还包括：高压氩气源，所述高压氩气源通过充气阀门与所述真空室上端相连，以用于从所述真空室上端向所述真空室内通入高压氩气源。

在本发明的一些实施例中，所述设备还包括：收集装置，所述收集装置与所述真空室下端相连，用于收集所制得的合金丝。

根据本发明第二方面实施例的制备非晶合金丝的方法，包括以下步骤：a)提供母合金锭；b)将所述母合金锭加工成非晶合金基材，所述非晶合金基材为棒材或条带；c)将所述非晶合金基材加热至过冷液区；以及d)对加热至过冷液区的所述非晶合金基材通过重力牵引使其发生超塑性变形来进行拉丝以形成所述非晶合金丝。

在本发明的一些实施例中，所述步骤a)中，所述母合金锭由纯度大于99.9%的元素按照所需非晶合金的原子比配料并通过感应加热或电弧熔炼制得。

在本发明的一些实施例中，所述步骤b)中，将所述母合金锭通过铜模铸造法加工成棒材，或通过真空甩带机甩成条带。

在本发明的一些实施例中，所述步骤c)中，所述非晶合金基材在氩气气氛下加热至过冷液区。

根据本发明上述实施例的设备和方法来制备非晶合金丝，至少具有下述优点之一：