[发明专利]一种金属复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于金属材料领域，涉及一种金属复合材料及其制备方法。

背景技术

微纳尺度材料的力学变形行为是设计微纳米机电系统所必须考虑的重要内容。微纳米机电系统一般具有尺寸小、组装结构复杂的特点，所以选用的材料以单晶金属为主，然而单晶体金属的力学变形通常不稳定，易于发生突然失效。因此，为了确保微机电系统的结构和功能的稳定性，设计具有优异力学性能的单晶金属材料将具有重要意义。

当前，由于微纳米尺度材料测试技术的限制，对于小尺寸样品力学性能的研究和设计长期驻足不前。近年来，Uchic等人开创了一套全新的微纳米尺度样品力学测试技术，发现当材料尺寸降低到微纳米尺度时，材料会呈现越小越强的规律。但随着材料尺寸的减小，变形主要集中在一个晶粒内部，单晶体变形的不稳定性也慢慢显现出来[Uchic MD,et al.Science,2004,305,986-989]。随后研究者们又在Ni、Cu、Al、Fe等多种金属材料中发现这种屈服后应变频繁突跳的特点。因此，在微纳尺度下，单晶体金属材料不具备变形稳定性，从而使得微机电系统的安全性没有保障，以致影响其使用寿命。

为了解决这个问题，目前学者们通过设计制作一些新的复合材料来抑制这种随机变形。比如Hu等人在铝中通过引入晶界及弥散分布的氧化物有效的提高了小尺寸材料的变形稳定性[Hu T,et al.Acta Materialia,2015,46-54]。Knorr等人通过使用Cu/Pd-Sid多层膜结构使得这种材料的机械强度和变形稳定性均有所提高。[Knorr I,et al.Acta Materialia,2013,61,4984-4995]。虽然这两种方法都能够有效的抑制材料变形的失稳特点，提高微观尺度下材料的力学性能。然而这两种材料的制备工艺比较复杂，对于微机电系统应用有诸多缺点。Hu等采用的方法需要首先将材料进行球磨成纳米颗粒、而后烧结成块体材料，然后通过时效处理获得弥散分布的第二相。这种工艺会引入大量的晶界和其他缺陷及污染，从而大大降低材料的功能性，比如导电性。另外大量晶界的引入，会使材料的热稳定性大大降低。Knorr等的方法则是利用镀膜的技术形成多层膜结构。多层膜结构的强度比较高，但比较脆，难于变形，大量界面的引入会降低其功能性，并且制备工艺复杂繁琐，因此不利于微纳米机电系统的应用。

总之，针对适用于微纳米机电系统的小尺寸材料的变形稳定性及机械强度问题，仍然没有一个简单快捷的解决方案。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种金属复合材料及其制备方法，该材料具有较好的变形稳定性和较高的机械强度，并且制备方法简单。

为达到上述目的，本发明所述的金属复合材料包括金属基体，所述金属基体内分散有若气泡。

各气泡的直径为1nm-100nm。

同一行中相邻两个气泡之间的间距为1nm-100nm。

各气泡内气体的压强为0.01GPa-10GPa。

气泡内的气体为氦气、氖气、氩气、氪气、氙气、氡气、氢气及氮气中的一种或多种按任意比例的混合气体。

金属基体的材料为金、银、铜、铁、铝、镁、锰、钴、镍、钒、锡、钨、铌、钽或钼。

所述金属基体的厚度为100nm-100μm，气泡的直径为1nm-50nm。

所述金属基体的厚度为500nm-10μm，气泡的直径为5nm-20nm。

本发明所述的金属复合材料的制备方法包括以下步骤：

取金属基体，再将所述金属基体加热至20℃-0.5T_m，然后再向金属基体内引入若干气体离子，使金属基体的内部形成多个气泡，得金属复合材料，其中，T_m为金属基体的熔点。

本发明所述的金属复合材料的制备方法包括以下步骤：取金属基体，再向金属基体内引入若干气体离子，然后再将所述金属基体加热至20℃-0.5T_m，使金属基体的内部形成多个气泡，得金属复合材料，其中，T_m为金属基体的熔点。

本发明具有以下有益效果：