[发明专利]制备微纳米尺度金属玻璃纤维的装置及方法

说明书

技术领域

本发明属于凝聚态物理和材料科学领域。

背景技术

金属玻璃具有很多独特的力学及功能特性，金属玻璃纤维更是引起了人们极大的兴趣。目前，金属纤维和玻璃纤维在工程应用与科学研究方面引起了人们广泛的兴趣。

由于金属玻璃像普通玻璃一样具有过冷液相区，可进行超塑性成型，所以，最初人们很自然的想到借鉴玻璃纤维的制备方法来制备金属玻璃纤维，但始终未果。这是因为，一方面金属玻璃的过冷液相区的宽度比无机玻璃要小很多，因而在加工的过程中容易晶化而不易进行超塑性变形；另一方面，金属玻璃在过冷液相区的脆性系数比有机玻璃小，所以金属玻璃在过冷液相区的粘度随温度变化很快，从而没有足够的时间进行加工，而且随着尺寸的减小会使金属玻璃的韧性进一步提高(文献1，Volkert，C.A.，Donohue，A.，& Spaepen，F.Effect of sample size on deformation in amorphous metals.J.Appl.Phys.103，083539(2008).)，更是成为金属玻璃走向工程应用的主要障碍。所以，传统的玻璃纤维制备工艺无法应用于制备金属玻璃纤维。

目前比较常见的制备金属玻璃纤维的方法中，金属纤维的制备效率与玻璃纤维的制备相比要低很多，制备成本也高很多，而且，金属纤维的尺寸可控性与表面质量远不如玻璃纤维。

如早在1981年，日本东北大学Inoue采用水纺法制备微米级金属玻璃丝(文献3，Inoue，A.，Hagiwara，M.，& Masumoto，T.Production of Fe-P-Camorphous wires by in-rotating-water spinning method and mechanical properties of the wires.J.Mater.Sci.17，580-588(1981).)。但是这种方法不能连续制备金属玻璃丝，熔融母合金与冷却液的化学反应无法避免，而且这种方法制备的金属玻璃丝表面被氧化，不光滑，直径很不均匀。

1991年，Rudkowski发明了熔体甩丝法(文献2，Rudkowski，P.，Rudkowska，G.& Strom-Olsen J.O.The fabrication of fine metallic fibers by continuous melt-extraction and their magnetic and mechanical properties.Mater.Sci.Engi.A133，158-161(1991).)，该方法能连续制备均匀的微米级金属玻璃丝，而且很均匀。但由于刀刃与丝之间的接触，使得丝表面有一个凹槽。另外一个可连续制丝的方法是泰勒法(文献3，Chiriac，H.，&T.A.Amorphousglass-covered magnetic wires：preparation，properties，applications.Prog.Mater.Sci.40，333-407(1996).)，但这种方法也有很多缺点和局限性：母合金的熔化温度必须比玻璃包裹物的软化温度高；玻璃包裹物与熔融母合金之间有化学反应从而导致金属玻璃丝的表面被氧化；母合金的热膨胀系数必须与玻璃包裹物的接近。以上这些方法都只能做10～100μm的金属玻璃丝。

2009年，Kumar(文献4，Kumar，G.，Tang，H.X.& Schroers，J.Nanomoulding with amorphous metals.Nature 457，868-873(2009).)用纳米压印的方法制备出了直径约13纳米的金属玻璃线，但其长度仅几十微米且表面质量差。同年，Nakayama(文献5，Nakayama，K.S.，Yokoyama，Y，Ono，T.，Chen，M.W.，Akiyama，K.，Sakurai，T.& Inoue A.Controlled formation and mechanical characterization of metallic glassy nanowires.Adv.Mater.21，1-4(2009).)用快速牵引法制备出纳米级金属玻璃丝，而这种方法的可重复性低，不能连续制备，且金属玻璃丝的长度最长仅1.3cm.

发明内容

本发明的目的在于基本克服上述现有技术的缺陷，从而提供一种能够高效、经济地制备微纳米级金属玻璃纤维的装置和方法，所制得的微纳米级金属玻璃纤维连续、表面光洁度高、尺寸可控且均匀。