[发明专利]一种具有手性微结构的金属玻璃超材料

说明书

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。