本發(fā)明涉及一種超材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種具有手性微結(jié)構(gòu)的金屬玻璃超材料。

背景技術(shù)：

多孔結(jié)構(gòu)常被用作結(jié)構(gòu)防護(hù)材料和夾芯填充材料，現(xiàn)在已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航空、航天等重要領(lǐng)域，包括一些結(jié)構(gòu)的主、次承力結(jié)構(gòu)件，如機(jī)翼、機(jī)身、尾翼以及雷達(dá)罩等部位。多孔結(jié)構(gòu)與其他傳統(tǒng)材料相比，具有相對(duì)密度小、能夠減少應(yīng)力集中等特性，還可以通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，獲得較好的減振、隔熱等特殊性能。普通的多孔結(jié)構(gòu)在受到載荷作用時(shí)，宏觀變形通常表現(xiàn)為正泊松比特性，即在垂直于載荷作用的方向上，材料會(huì)由加載部位向四周擴(kuò)散，特別是受到?jīng)_擊載荷的情況下，造成材料結(jié)構(gòu)局部的松散軟化。而且相對(duì)塊體材料來(lái)說(shuō)，普通多孔結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度并不高，大部分結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度極限遠(yuǎn)低于相同尺寸大小的塊體合金材料，在強(qiáng)度上并沒(méi)有特別明顯的優(yōu)勢(shì)。再加上制備多孔結(jié)構(gòu)的材料大都是傳統(tǒng)合金，由于晶界、位錯(cuò)等缺陷的存在，傳統(tǒng)合金的彈性極限較小，在承受大載荷時(shí)，很容易發(fā)生不可逆的塑性變形，造成結(jié)構(gòu)失穩(wěn)破壞。要進(jìn)一步改善這些缺陷，合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制作材料的選擇就顯得尤為關(guān)鍵。

而手性結(jié)構(gòu)作為一種特殊的負(fù)泊松比多孔結(jié)構(gòu)，同樣具有多孔結(jié)構(gòu)的特殊性能。除此之外，手性結(jié)構(gòu)還具有負(fù)泊松比的特性，在受到載荷后，特別是沖擊載荷，會(huì)向受載部位附近收縮，使材料的局部密度增大，吸收部分沖擊產(chǎn)生的能量，進(jìn)而提高其抗沖擊載荷的能力。相對(duì)于同樣尺寸大小的塊體材料，傳統(tǒng)手性結(jié)構(gòu)雖然可以有效降低構(gòu)件的重量，但是與此同時(shí)其整體的楊氏模量、強(qiáng)度極限同樣會(huì)大幅度的降低，無(wú)法承受大載荷，在很大程度上限制了手性結(jié)構(gòu)在特定領(lǐng)域的應(yīng)用。此外，傳統(tǒng)的手性結(jié)構(gòu)大多應(yīng)用于大尺寸的結(jié)構(gòu)件，對(duì)細(xì)微承力結(jié)構(gòu)就不太適用，而且也無(wú)法制備出精確度要求很高的器件，比如在微電子行業(yè)的一些元器件。

金屬玻璃，又稱為非晶合金，是通過(guò)對(duì)熔融狀態(tài)時(shí)的金屬液體快速冷卻獲得的非晶態(tài)固體。金屬玻璃短程有序、中長(zhǎng)程無(wú)序的微觀結(jié)構(gòu)，不會(huì)出現(xiàn)位錯(cuò)和晶界等缺陷，使其屈服極限接近理論極限。而且金屬玻璃易加工、易成型，是由于表面原子排列致密，具有很精準(zhǔn)的熱形成能力，可以達(dá)到納米級(jí)別的表面精度，能夠?qū)崿F(xiàn)各種精細(xì)結(jié)構(gòu)的精確制備。而且金屬玻璃在具有高的屈服強(qiáng)度的同時(shí)，還具有高彈性極限、高強(qiáng)度、耐磨損和耐腐蝕等優(yōu)異性能。但是與此同時(shí)，由于沒(méi)有滑移面、位錯(cuò)等塑性變形機(jī)制，金屬玻璃的室溫塑性變形能力極差，通常拉伸塑性應(yīng)變近乎為0。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了改善上述多孔結(jié)構(gòu)、手性結(jié)構(gòu)、金屬玻璃的缺陷，本發(fā)明提供一種具有手性微結(jié)構(gòu)的金屬玻璃超材料，利用各自的長(zhǎng)處，把手性多孔微結(jié)構(gòu)應(yīng)用到金屬玻璃中，在保持輕質(zhì)、負(fù)泊松比的情況下，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)整體的高彈性、高強(qiáng)度、大塑性，很大程度上改進(jìn)了傳統(tǒng)手性材料以及金屬玻璃本身的力學(xué)性能，并且利用金屬玻璃超高的加工精度，實(shí)現(xiàn)了從微觀領(lǐng)域到宏觀范圍的多尺度金屬玻璃超材料制備，有望應(yīng)用于吸聲、吸能、減振等特定領(lǐng)域，比如應(yīng)用于坦克、潛艇防護(hù)裝甲的結(jié)構(gòu)件。

為了達(dá)到以上目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種具有手性微結(jié)構(gòu)的金屬玻璃超材料，把手性微結(jié)構(gòu)運(yùn)用到金屬玻璃材料中，包括由金屬玻璃材料制備的多個(gè)圓柱1以及連接圓柱的韌帶2。

所述多個(gè)圓柱1是實(shí)心或者空心等截面圓柱，大小一致，且相鄰圓柱之間的距離相等，為正多邊形排列。

所述的韌帶2具有相同的厚度，且相鄰韌帶的夾角均相同，采用手性排列或反手性排列。

每個(gè)圓柱及其連接的韌帶2形成的手性微結(jié)構(gòu)的尺度為微納米量級(jí)，是一種具有負(fù)泊松比的輕質(zhì)多孔結(jié)構(gòu)。

所述金屬玻璃材料是快速冷卻金屬液體獲得的非晶態(tài)金屬固體，具有易加工、易成型、高彈性、高強(qiáng)度、耐磨損和耐腐蝕的特性。且金屬玻璃表面原子排列致密，具有很高的表面精度，可以實(shí)現(xiàn)納米級(jí)別的加工精度。

通過(guò)改變韌帶2厚度來(lái)調(diào)控變形與斷裂機(jī)制，當(dāng)韌帶2厚度小于100納米時(shí)，結(jié)構(gòu)整體發(fā)生硬化現(xiàn)象和塑性破壞；當(dāng)韌帶2厚度大于100納米時(shí)，結(jié)構(gòu)整體發(fā)生剪切帶脆性斷裂。

通過(guò)改變韌帶2數(shù)量、長(zhǎng)度、排列方式或者圓柱1的半徑來(lái)調(diào)控其整體力學(xué)性能，韌帶2長(zhǎng)度越長(zhǎng)，或者圓柱1的半徑越小，結(jié)構(gòu)的密度和強(qiáng)度會(huì)相應(yīng)降低，但是塑性會(huì)明顯增加。

每個(gè)圓柱上連接的韌帶2的數(shù)量為三條、四條或六條。

當(dāng)具有手性微結(jié)構(gòu)的金屬玻璃超材料受到外加載荷時(shí)，比如單向壓縮加載，其變形機(jī)制為圓柱1不變形，韌帶2變形。圓柱1發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，韌帶部分受到壓縮并彎曲變形，同時(shí)韌帶2隨著圓柱1的轉(zhuǎn)動(dòng)旋轉(zhuǎn)一定角度，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的宏觀形變，達(dá)到吸能變形的目的。由于金屬玻璃超高的彈性極限以及強(qiáng)度極限，因此該金屬玻璃手性結(jié)構(gòu)的變形極限和承受載荷的極限要比傳統(tǒng)合金的要大幾個(gè)數(shù)量級(jí)，完全可以達(dá)到高彈性、高強(qiáng)度、大塑性的力學(xué)性能。

和現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)通過(guò)特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，本發(fā)明巧妙地將金屬玻璃高彈性、高強(qiáng)度、高耐磨與手性結(jié)構(gòu)本身具有的輕質(zhì)、負(fù)泊松比等特性完美結(jié)合，從而提高結(jié)構(gòu)整體承受大變形大載荷的能力，最終實(shí)現(xiàn)吸聲、吸能、減振等目標(biāo)，極大改善了傳統(tǒng)多孔材料、手性材料、以及金屬玻璃的力學(xué)性能。比如應(yīng)用于坦克、潛艇的防護(hù)裝甲。由于坦克的防護(hù)裝甲需要抵御炮彈的沖擊貫穿，在確保安全性的前提下，同時(shí)要求重量盡量小，盡可能提高坦克的機(jī)動(dòng)性，因此其裝甲要求輕質(zhì)、高強(qiáng)度、高彈性、抗沖擊性能好的材料。當(dāng)使用本發(fā)明的超材料的防護(hù)裝甲時(shí)，在受到?jīng)_擊載荷的作用時(shí)，由于該超材料高強(qiáng)度、高彈性、斷裂韌性極高，而且具有負(fù)泊松比特性，該結(jié)構(gòu)能夠向沖擊點(diǎn)附近收縮，造成沖擊點(diǎn)周圍材料的局部密度增大，有利于承受沖擊載荷，阻礙炮彈貫穿整個(gè)裝甲。此外，得益于手性微結(jié)構(gòu)的內(nèi)部周期性結(jié)構(gòu)，防護(hù)裝甲同時(shí)具有了吸聲的效果，能夠吸收坦克發(fā)動(dòng)機(jī)以及其他儀器發(fā)出的噪聲，降低被發(fā)現(xiàn)的概率，也給內(nèi)部人員提供了合適的環(huán)境。

(2)而且得益于金屬玻璃具有很精準(zhǔn)的熱形成能力，能夠達(dá)到納米級(jí)別的表面精度，本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)從納米范圍到宏觀領(lǐng)域的多尺度精確制備。

(3)通過(guò)改變圓柱的半徑或者韌帶的數(shù)量、長(zhǎng)度、厚度與排列方式，本發(fā)明可以有效的控制結(jié)構(gòu)整體的變形與斷裂機(jī)制，調(diào)控其楊氏模量、剪切模量、泊松比等整體力學(xué)性能，從而適應(yīng)不同的工作場(chǎng)合，使得其可以滿足某些領(lǐng)域的獨(dú)特要求，比如吸聲、吸能、減振等需求。

(4)金屬玻璃易加工、易成型，表面原子排列致密，其表面精度在納米級(jí)別，具有很高的加工精度，完全能夠滿足納米級(jí)別的手性微結(jié)構(gòu)的制備需求。

(5)由于是用具有高強(qiáng)度高耐磨的金屬玻璃作為制備材料，因此相應(yīng)的結(jié)構(gòu)件磨損破壞的過(guò)程也將非常緩慢。

(6)得益于金屬玻璃的高彈性極限，在卸載后，只要沒(méi)有達(dá)到彈性極限，相應(yīng)的結(jié)構(gòu)件可以迅速恢復(fù)到起始形態(tài)，使其能夠承受多次加載，方便重復(fù)多次使用。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明有四條韌帶的手性微結(jié)構(gòu)的金屬玻璃超材料示意圖。

圖2是本發(fā)明有六條韌帶的手性微結(jié)構(gòu)的金屬玻璃超材料示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式，對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。

下面首先對(duì)本發(fā)明的原理和工作過(guò)程做如下說(shuō)明：

本發(fā)明將金屬玻璃優(yōu)異的力學(xué)性能與手性結(jié)構(gòu)本身具有的特性相結(jié)合，從而提高結(jié)構(gòu)承受大變形大載荷的能力，最終實(shí)現(xiàn)吸聲、吸能、減振等目標(biāo)。由于金屬玻璃的高彈性、高強(qiáng)度，因此金屬玻璃結(jié)構(gòu)件的變形極限和承受載荷的極限要比傳統(tǒng)合金的要大幾個(gè)數(shù)量級(jí)。而且得益于金屬玻璃超高的彈性極限，在卸載后，只要變形程度沒(méi)有達(dá)到彈性極限，結(jié)構(gòu)件可以迅速恢復(fù)到起始形態(tài)，使其能夠承受多次加載，方便重復(fù)多次使用。再加上金屬玻璃表面原子排列致密，能夠?qū)崿F(xiàn)納米級(jí)別的表面精度，完全可以精確加工出手性微結(jié)構(gòu)所需的器件形狀。

由于需要快速冷卻熔融狀的金屬液體才能得到金屬玻璃，傳統(tǒng)的制備方式可能無(wú)法制備較為精細(xì)的手性微結(jié)構(gòu)金屬玻璃，因此可以采用3d打印技術(shù)，對(duì)具有手性微結(jié)構(gòu)的金屬玻璃超材料進(jìn)行設(shè)計(jì)制備。首先，通過(guò)計(jì)算機(jī)控制模型設(shè)計(jì)以及程序編寫(xiě)；接著，在位于升降平臺(tái)的基板上預(yù)鋪一定厚度的金屬玻璃粉末；然后，激光束按照預(yù)先編制好的程序進(jìn)行選擇性掃描；在完成上述掃描之后，將升降平臺(tái)下降一段距離，保證激光束的聚焦，重新開(kāi)始掃描；重復(fù)上述過(guò)程，最后層層累加制備成所需幾何形狀的金屬玻璃。如圖1所示為有四條韌帶的手性微結(jié)構(gòu)的金屬玻璃，圖2則為有六條韌帶的手性微結(jié)構(gòu)的金屬玻璃。

當(dāng)具有手性微結(jié)構(gòu)的金屬玻璃超材料承受載荷發(fā)生變形時(shí)，其變形機(jī)制為：圓柱1不變形，只發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，連接圓柱1的韌帶2發(fā)生變形。該結(jié)構(gòu)受到載荷后，圓柱1轉(zhuǎn)動(dòng)，韌帶部分受壓并發(fā)生彎曲，同時(shí)韌帶2隨著圓柱1的轉(zhuǎn)動(dòng)旋轉(zhuǎn)一定角度，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的宏觀形變，達(dá)到承載吸能的目的，能夠在吸聲、吸能、減振等特定領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，比如應(yīng)用于坦克、潛艇的防護(hù)裝甲。由于坦克的防護(hù)裝甲需要抵御炮彈的沖擊貫穿，在確保安全性的前提下，同時(shí)要求重量盡量小，盡可能提高坦克的機(jī)動(dòng)性，因此其裝甲要求輕質(zhì)、高強(qiáng)度、高彈性、抗沖擊性能好的材料。當(dāng)使用該超材料的防護(hù)裝甲受到?jīng)_擊載荷的作用時(shí)，由于該超材料高強(qiáng)度、高彈性、斷裂韌性極高，而且具有負(fù)泊松比特性，該結(jié)構(gòu)能夠向沖擊點(diǎn)附近收縮，造成沖擊點(diǎn)周圍材料的局部密度增大，有利于承受沖擊載荷，阻礙炮彈貫穿整個(gè)裝甲。此外，得益于手性微結(jié)構(gòu)的內(nèi)部周期性結(jié)構(gòu)，防護(hù)裝甲同時(shí)具有了吸聲的效果，能夠吸收坦克發(fā)動(dòng)機(jī)以及其他儀器發(fā)出的噪聲，降低被發(fā)現(xiàn)的概率，也給內(nèi)部人員提供了合適的環(huán)境。

由于手性微結(jié)構(gòu)良好的可設(shè)計(jì)性以及金屬玻璃獨(dú)特的力學(xué)性能，可以根據(jù)需要對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過(guò)調(diào)整結(jié)構(gòu)單元的圓柱1的半徑以及韌帶2的數(shù)量、厚度、長(zhǎng)度和排列方式，控制該結(jié)構(gòu)的變形與斷裂機(jī)制，調(diào)控其整體力學(xué)性能，滿足吸聲、吸能、減振等不同需要。其中，由于金屬玻璃的斷裂機(jī)制是由其尺寸大小決定，通常大于100納米的時(shí)候是剪切帶斷裂，小于100納米的時(shí)候是塑性斷裂，所以當(dāng)韌帶2的厚度超過(guò)金屬玻璃斷裂機(jī)制發(fā)生改變的臨界值后，結(jié)構(gòu)整體的斷裂機(jī)制會(huì)發(fā)生變化，破壞形式會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)榧羟袔У拇嘈詳嗔眩瑖?yán)重影響結(jié)構(gòu)整體的承載變形；同時(shí)，韌帶2越厚，雖然結(jié)構(gòu)整體的強(qiáng)度會(huì)越高，但其負(fù)泊松比現(xiàn)象也會(huì)越不明顯。韌帶2較薄的時(shí)候(小于100納米)，韌帶2的斷裂屬于塑性破壞，能夠引起結(jié)構(gòu)發(fā)生硬化現(xiàn)象，從而大大提高了結(jié)構(gòu)的變形極限。韌帶2的長(zhǎng)度越長(zhǎng)，或者圓柱1的半徑越小，結(jié)構(gòu)整體的變形與斷裂機(jī)制不會(huì)發(fā)生改變，雖然結(jié)構(gòu)的密度和強(qiáng)度會(huì)有所降低，但塑性會(huì)明顯增加。

上述僅是以有四條或者六條韌帶的手性微結(jié)構(gòu)的金屬玻璃為具體實(shí)施例，需要指出的是，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)該為本發(fā)明的保護(hù)范圍。