非晶基體復(fù)合材料及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種非晶基體復(fù)合材料及其制備方法，所述復(fù)合材料為金屬玻璃復(fù)合材料，且具有外部晶體相多于內(nèi)部晶體相的結(jié)構(gòu)。本發(fā)明利用渦電流加熱金屬玻璃引入晶體相制備非晶基體復(fù)合材料，通過交變電磁場(chǎng)作用在金屬玻璃樣品上進(jìn)行加熱，由于趨膚效應(yīng)，樣品內(nèi)部和外部的加熱效果不一致，但是這正好造成外部加熱強(qiáng)度高，內(nèi)部加熱程度低，從而可以引起外部更多的晶化，而樣品內(nèi)部晶體相含量低。這樣的不均勻結(jié)構(gòu)有利于維持金屬玻璃材料的優(yōu)勢(shì)力學(xué)性能，而外部晶體相的增多可以增加材料的塑性變形能力，該復(fù)合材料同時(shí)具有高強(qiáng)度和高塑性的特性，壓縮塑性可達(dá)18%，強(qiáng)度可達(dá)2200MPa以上。同時(shí)具有成分簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜，節(jié)約經(jīng)濟(jì)成本等特點(diǎn)。
【專利說明】非晶基體復(fù)合材料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及材料領(lǐng)域，特別涉及一種通過渦電流加工制備的非晶基體復(fù)合材料及其方法。
【背景技術(shù)】
[0002]金屬玻璃是合金熔體在快速凝固過程中沒有來得及結(jié)晶而形成的非晶態(tài)物質(zhì)。在微觀結(jié)構(gòu)上，它具有類似液體的無序原子結(jié)構(gòu)；在宏觀上，它又具有固體的剛性。金屬玻璃作為材料家族的新成員，雖然只有幾十年的發(fā)展歷史，但是因?yàn)榻饘俨ＡЬ哂胁煌趥鹘y(tǒng)晶態(tài)合金的特殊原子結(jié)構(gòu)，因而具有極高的強(qiáng)度、彈性極限、良好的抗疲勞和耐腐蝕性等許多優(yōu)異的物理、化學(xué)和力學(xué)性能。金屬玻璃可以代替石英制作雷達(dá)、計(jì)算機(jī)的傳聲材料和敏感元件等；在軍事應(yīng)用方面，已開展將金屬玻璃用于環(huán)保型動(dòng)能穿甲彈，并有望取代對(duì)人類健康和環(huán)境造成嚴(yán)重危害的貧鈾彈；在航天領(lǐng)域，美國(guó)已將此類材料成功用于“起源號(hào)”宇宙飛船；在日常生活中，高強(qiáng)度的金屬玻璃已被應(yīng)用于網(wǎng)球拍、自行車、潛水裝置等體育裝備上。上世紀(jì)九十年代塊體金屬玻璃的合成是金屬玻璃發(fā)展中的一個(gè)重要里程碑，塊體金屬玻璃一出現(xiàn)就立即引起了科學(xué)家們的極大關(guān)注?，F(xiàn)有的金屬玻璃體系面臨的主要問題有:玻璃形成能力有限，制備出的樣品尺寸較?。淮蠖鄶?shù)金屬玻璃體系相對(duì)于傳統(tǒng)合金材料成本昂貴，且壓縮塑性僅在2%以內(nèi)。因此開發(fā)具有優(yōu)良玻璃形成能力、成分簡(jiǎn)單且價(jià)格便宜的金屬玻璃及其復(fù)合材料是本領(lǐng)域材料制備的重要目標(biāo)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種通過渦電流加工制備非晶基體復(fù)合材料及其方法。該材料具有優(yōu)良的力學(xué)性能、成分簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜，節(jié)約經(jīng)濟(jì)成本。
[0004]本發(fā)明的非晶基體復(fù)合材料，所述復(fù)合材料為金屬玻璃復(fù)合材料，且具有外部晶體相多于內(nèi)部晶體相的結(jié)構(gòu)。
[0005]本發(fā)明還公開一種非晶基體復(fù)合材料的制備方法，利用渦輪電流加熱金屬玻璃引入晶體相制備非晶基體復(fù)合材料；
[0006]進(jìn)一步，將金屬玻璃放入線圈之中，通以交變電流；
[0007]進(jìn)一步，金屬玻璃成分為銅基、鋯基、鈦基中的三元系以上合金；
[0008]進(jìn)一步，所述非晶基體復(fù)合材料為Cu-Zr基大塊非晶復(fù)合材料；
[0009]進(jìn)一步,所述金屬玻璃的成分為(Cu5tlZr5tl) 1(I(I_XAlx, x=2_10, x為整數(shù)；
[0010]進(jìn)一步,所述金屬玻璃的成分為Cu46Zr46Al8 ；
[0011]進(jìn)一步，將直徑為2-8毫米的金屬玻璃放入線圈之中，通以強(qiáng)度為5-50安培的交變電流；
[0012]進(jìn)一步，將直徑為5毫米的金屬玻璃放入線圈之中，通以強(qiáng)度為30安培的交變電流。
[0013]本發(fā)明的有益效果:本發(fā)明的非晶基體復(fù)合材料及其制備方法，通過交變電磁場(chǎng)作用在金屬玻璃樣品上進(jìn)行加熱，由于趨膚效應(yīng)，樣品內(nèi)部和外部的加熱效果不一致，但是這正好造成外部加熱強(qiáng)度高，內(nèi)部加熱程度低，從而可以引起外部更多的晶化，而樣品內(nèi)部晶體相含量低。這樣的不均勻結(jié)構(gòu)有利于維持金屬玻璃材料的優(yōu)勢(shì)力學(xué)性能，而外部晶體相的增多可以增加材料的塑性變形能力，該復(fù)合材料同時(shí)具有高強(qiáng)度和高塑性的特性，壓縮塑性可達(dá)18%，強(qiáng)度可達(dá)2200MPa以上。同時(shí)具有優(yōu)良的力學(xué)性能、成分簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜，節(jié)約經(jīng)濟(jì)成本。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1為本發(fā)明的樣品制備示意圖；
[0015]圖2為本發(fā)明的金屬玻璃復(fù)合材料的金相圖。
[0016]圖3為鑄態(tài)金屬玻璃與本發(fā)明的金屬玻璃復(fù)合材料的X射線衍射曲線；
[0017]圖4為鑄態(tài)金屬玻璃與本發(fā)明的金屬玻璃復(fù)合材料的壓縮斷裂曲線；
[0018]圖5為鑄態(tài)金屬玻璃與本發(fā)明的金屬玻璃復(fù)合材料的DSC曲線；
【具體實(shí)施方式】
[0019]本實(shí)施例的非晶基體復(fù)合材料，所述復(fù)合材料為金屬玻璃復(fù)合材料，且具有外部晶體相多于內(nèi)部晶體相的結(jié)構(gòu)。
[0020]本實(shí)施例的一種非晶基體復(fù)合材料的制備方法，利用渦電流加熱金屬玻璃引入晶體相制備非晶基體復(fù)合材料。
[0021]本實(shí)施例中，將金屬玻璃放入線圈之中，通以交變電流。
[0022]本實(shí)施例中，金屬玻璃成分為銅基、鋯基、鈦基中的三元系以上合金中或兩種以上，為優(yōu)選。
[0023]本實(shí)施例中，優(yōu)選為非晶基體復(fù)合材料為Cu-Zr基大塊非晶復(fù)合材料。
[0024]本實(shí)施例中，所述金屬玻璃的成分為(Cu5tlZr5tl) 1(KI_XA1X，x=2-10 (x為整數(shù))。
[0025]本實(shí)施例中，優(yōu)選為金屬玻璃的成分為Cu46Zr46Al815
[0026]本實(shí)施例中，將直徑為2-8毫米的金屬玻璃放入線圈之中，通以強(qiáng)度為5-50安培的交變電流。
[0027]本實(shí)施例中，將直徑為5毫米的金屬玻璃放入線圈之中，通以強(qiáng)度為30安培的交變電流。
[0028]下面通過具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的闡述。
[0029]實(shí)施例一
[0030]把成分為Cu46Zr46Al8 (原子百分比)，直徑為5毫米的金屬玻璃放入線圈之中，通過強(qiáng)度為30安培的交變電流。交變電流引起的交變電磁場(chǎng)作用在金屬玻璃樣品上進(jìn)行加熱，因?yàn)橼吥w效應(yīng)，樣品內(nèi)部和外部的加熱效果不一致，但是這正好造成外部加熱強(qiáng)度高，內(nèi)部加熱程度低，從而可以引起外部更多的晶化，而樣品內(nèi)部晶體相含量低。這樣的不均勻結(jié)構(gòu)有利于維持金屬玻璃材料的優(yōu) 勢(shì)力學(xué)性能，而外部晶體相的增多可以增加材料的塑性變形能力。所制得的復(fù)合材料為金屬玻璃復(fù)合材料，且具有外部晶體相多，內(nèi)部晶體相少的結(jié)構(gòu)。其壓縮塑性超過18%。該復(fù)合材料的金相圖如圖2所示，可見明顯的非晶-晶體復(fù)合組織結(jié)構(gòu)。鑄態(tài)金屬玻璃與金屬玻璃復(fù)合材料(非晶基體復(fù)合材料)的X射線衍射分析如圖3所示，從圖中可以看出鑄態(tài)金屬玻璃具有完全的非晶態(tài)結(jié)構(gòu)，而金屬玻璃復(fù)合材料樣品則含有晶體相和亞穩(wěn)相，而其基體依然是非晶相。圖4是鑄態(tài)金屬玻璃與金屬玻璃復(fù)合材料(非晶基體復(fù)合材料)的力學(xué)性能對(duì)比。實(shí)驗(yàn)條件為:樣品為03X6mm柱樣試樣，實(shí)驗(yàn)溫度為室溫(25°C)，壓縮應(yīng)變速率為0.072mm/min。根據(jù)鑄態(tài)金屬玻璃與金屬玻璃復(fù)合材料(非晶基體復(fù)合材料)的壓縮斷裂曲線可以看出，所制備的金屬玻璃復(fù)合材料(非晶基體復(fù)合材料)強(qiáng)度可達(dá)2205MPa以上，比鑄態(tài)金屬玻璃明顯高很多，且鑄態(tài)金屬玻璃沒有明顯塑性，塑性僅在2%以內(nèi)，本發(fā)明的金屬玻璃復(fù)合材料(非晶基體復(fù)合材料)的塑性從2%以內(nèi)提高到18%。因此,相較于鑄態(tài)金屬玻璃,本發(fā)明的金屬玻璃復(fù)合材料(非晶基體復(fù)合材料)在保證斷裂強(qiáng)度較高的基礎(chǔ)上，其塑性得到大幅度的提高，同時(shí)具有高強(qiáng)度和高塑性的特性。對(duì)鑄態(tài)金屬玻璃與金屬玻璃復(fù)合材料(非晶基體復(fù)合材料)進(jìn)行了熱分析，實(shí)驗(yàn)方法及條件:分別選取15毫克的鑄態(tài)金屬玻璃和金屬玻璃復(fù)合材料樣品，進(jìn)行差示掃描量熱(DSC)分析。其各自的DSC曲線如圖5所示，從圖中可以看出鑄態(tài)金屬玻璃有明顯的玻璃轉(zhuǎn)變和晶化反應(yīng)，說明其非晶態(tài)的原子結(jié)構(gòu)；而制備的金屬玻璃復(fù)合材料樣品，玻璃轉(zhuǎn)變現(xiàn)象不明顯，晶化反應(yīng)也弱于鑄態(tài)樣品，說明了其不完全的非晶結(jié)構(gòu)，即非晶-晶體復(fù)合結(jié)構(gòu)。
[0031]實(shí)施例二
[0032]把成分為Cu46Zr46Al8 (原子百分比)，直徑為2毫米的金屬玻璃放入線圈之中，通過強(qiáng)度為5安培的交變電流。所制得的復(fù)合材料為金屬玻璃復(fù)合材料，且具有外部晶體相多，內(nèi)部晶體相少的結(jié)構(gòu)，其壓縮塑性超過18%。
[0033]實(shí)施例三
[0034]把成分為Cu46Zr46Al8 (原子百分比)，直徑為8毫米的金屬玻璃放入線圈之中，通過強(qiáng)度為50安培的交變電流；所制得的復(fù)合材料為金屬玻璃復(fù)合材料，且具有外部晶體相多，內(nèi)部晶體相少的結(jié)構(gòu)，其壓縮塑性為19%，強(qiáng)度可達(dá)2210MPa以上。
[0035]實(shí)施例四
[0036]把成分為Cu46Zr46Al8 (原子百分比)，直徑為6毫米的金屬玻璃放入線圈之中，通過強(qiáng)度為20安培的交變電流；所制得的復(fù)合材料為金屬玻璃復(fù)合材料，且具有外部晶體相多，內(nèi)部晶體相少的結(jié)構(gòu)，其壓縮塑性超過19%，材料強(qiáng)度超過2205MPa以上。
[0037]實(shí)施例五
[0038]把成分為Cu50Zr42A18 (原子百分比)，直徑為4毫米的金屬玻璃放入線圈之中，通過強(qiáng)度為40安培的交變電流；所制得的復(fù)合材料為金屬玻璃復(fù)合材料，且具有外部晶體相多，內(nèi)部晶體相少的結(jié)構(gòu)，其壓縮塑性超過18%，材料強(qiáng)度可達(dá)2205MPa。
[0039]實(shí)施例六
[0040]把成分為Ti4tlAl2tlNb (原子百分比)，直徑為4毫米的金屬玻璃放入線圈之中，通過強(qiáng)度為40安培的交變電流；所制得的復(fù)合材料為金屬玻璃復(fù)合材料，且具有外部晶體相多，內(nèi)部晶體相少的結(jié)構(gòu)，其壓縮塑性超過18%，材料強(qiáng)度可達(dá)2200MPa。
[0041]實(shí)施例七
[0042]把成分為Cu45Zr45Alltl (原子百分比)，直徑為4毫米的金屬玻璃放入線圈之中，通過強(qiáng)度為40安培的交變電流；所制得的復(fù)合材料為金屬玻璃復(fù)合材料，且具有外部晶體相多，內(nèi)部晶體相少的結(jié)構(gòu)，其壓縮塑性超過18%，材料強(qiáng)度可達(dá)2205MPa。
[0043]實(shí)施例八[0044]把成分為Cu45Zr45Alltl (原子百分比)，直徑為4毫米的金屬玻璃放入線圈之中，通過強(qiáng)度為40安培的交變電流；所制得的復(fù)合材料為金屬玻璃復(fù)合材料，且具有外部晶體相多，內(nèi)部晶體相少的結(jié)構(gòu)，其壓縮塑性超過18%，材料強(qiáng)度可達(dá)2205MPa。
[0045]Cu46Zr47Al7原子百分比)，直徑為4毫米的金屬玻璃放入線圈之中，通過強(qiáng)度為40安培的交變電流；所制得的復(fù)合材料為金屬玻璃復(fù)合材料，且具有外部晶體相多，內(nèi)部晶體相少的結(jié)構(gòu)，其壓縮塑性超過18%，材料強(qiáng)度超過2205MPa以上。
[0046]實(shí)施例一種制備的金屬玻璃復(fù)合材料與其他實(shí)施例制備的金屬玻璃復(fù)合材料性質(zhì)并無明顯差別，因此不在贅述。
[0047]最后說明的是，以上實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較佳實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的宗旨和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。·
【權(quán)利要求】
1.一種非晶基體復(fù)合材料，其特征在于:所述復(fù)合材料為金屬玻璃復(fù)合材料，且具有外部晶體相多于內(nèi)部晶體相的結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非晶基體復(fù)合材料的制備方法，其特征在于:利用渦電流加熱金屬玻璃引入晶體相制備非晶基體復(fù)合材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的非晶基體復(fù)合材料的制備方法，其特征在于:將金屬玻璃放入線圈之中，通以交變電流。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的非晶基體復(fù)合材料的制備方法，其特征在于:所述金屬玻璃成分為銅基、鋯基、鈦基中的三元系以上合金。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的非晶基體復(fù)合材料的制備方法，其特征在于:所述非晶基體復(fù)合材料為Cu-Zr基大塊非晶復(fù)合材料。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的非晶基體復(fù)合材料的制備方法，其特征在于:所述金屬玻璃的成分為(Cu50Zr50) 100-XA1X, x=2-10o
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的非晶基體復(fù)合材料的制備方法，其特征在于:所述金屬玻璃的成分為Cu46Zr46Al8。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的非晶基體復(fù)合材料的制備方法，其特征在于:將直徑為2-8毫米的金屬玻璃放入線圈之中，通以強(qiáng)度為5-50安培的交變電流。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的非晶基體復(fù)合材料的制備方法，其特征在于:將直徑為5毫米的金屬玻璃放入線圈之中，通以強(qiáng)度為30安培的交變電流。
【文檔編號(hào)】C22F1/14GK103789710SQ201310692463
【公開日】2014年5月14日 申請(qǐng)日期:2013年12月17日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月17日
【發(fā)明者】余鵬, 陳燕, 吳飛飛, 葉鳳霞 申請(qǐng)人:重慶師范大學(xué)