[发明专利]一种具有波浪结构的金属玻璃复合材料

说明书

本发明公开了一种具有波浪结构的金属玻璃复合材料，包括第一种金属玻璃波浪结构、第二种金属玻璃波浪结构和基底，第一种金属玻璃波浪结构和第二种金属玻璃波浪结构均由若干大小相同、形状一致且周期性排列的单元组成，在第一种金属玻璃波浪结构和第二种金属玻璃波浪结构之间及周围填充基底，将复合材料、金属玻璃、波浪结构的优点结合，能够适用于任何金属玻璃体系，保留金属玻璃高强度，并利用波浪结构控制剪切带，增塑增韧，最终制备成大尺寸、高强、高韧的金属玻璃复合材料。本发明具有高强高韧、吸能储能、减震抗疲劳、性能可控等优异特性，能够应用于许多关键领域。

技术领域

本发明属于复合材料和结构优化设计领域，具体涉及一种具有波浪结构的金属玻璃复合材料。

背景技术

复合材料，是由两种或两种以上不同性质的材料，通过物理化学方法，在宏观或微观上组成具有新性能的材料。一般来说，复合材料是由较强的、脆性的、高模量的增强材料和较弱的、韧性的、低模量的基体组成的。复合材料具有轻质、比强度高、比刚度大、可设计性好等优点，可以满足不同领域的性能要求。近年来，复合材料在航空航天、汽车船舶、桥梁建筑、化工医疗等诸多领域都得到广泛的应用。但目前复合材料同样面临着诸多瓶颈，而整体强度低是其中的核心问题，所以需要寻找具有更高强度的材料作为增强相。

金属玻璃，又称为非晶合金，是通过对熔融状态时的金属熔体快速冷却获得的非晶态固体。金属玻璃具有中短程有序、长程无序的微观结构，因此并不会出现位错和晶界等缺陷。与传统晶体金属材料相比，金属玻璃材料表现出许多独特的物理、化学和力学性能，比如，强度可以达到6GPa、断裂韧性高达200MPa·m^1/2、弹性极限高达2％、耐腐蚀、耐磨损等。此外，金属玻璃具有良好的热塑成型能力，易加工、易成型。尽管金属玻璃具有许多优异的性能，但是，玻璃形成能力差严重限制了金属玻璃的广泛应用，金属玻璃的临界尺寸有限，很难制成大尺寸的结构件。此外，由于没有滑移面、位错等塑性变形机制，金属玻璃的断裂模式表现为剪切带迅速扩展的脆性断裂，室温塑性变形能力极差，通常拉伸塑性应变近乎为0。

由于金属玻璃的塑性变形能力和剪切带的形成传播息息相关，因此可以通过控制剪切带来提高金属玻璃的室温塑性。一般来说，局部的应力状态决定了剪切带的形成与传播的进程。从自然界中常见的波浪结构得到启发，波浪结构可以有效调控局部应力状态，进而对剪切带进行有效控制。具有波浪结构的金属玻璃在保留了高强度的同时，塑性变形能力得到大幅度增强。但由于金属玻璃的形成能力有限，无法制备得到很大尺寸的波浪结构，应用范围有较大的局限性。而且需要保护好经过精心设计的结构表面，保证波浪结构中的应力状态可以有效抑制剪切带的扩展。

发明内容

本发明的目的在于克服上述不足，提供一种具有波浪结构的金属玻璃复合材料，结合复合材料、金属玻璃、波浪结构的长处，金属玻璃制成的波浪结构作为增强相，极大提高整体强度和变形能力，高分子材料、多孔材料或常见金属作为基体，进一步增强整体变形能力，最终制成大尺寸、高强、高韧的金属玻璃复合材料，有望应用于减震、抗疲劳、吸能、储能等特定领域，比如作为船舶、汽车、桥梁的关键结构件。

为了达到上述目的，本发明包括增强相和基底，增强相为两种波浪结构，分别为第一种金属玻璃波浪结构和第二种金属玻璃波浪结构，第一种金属玻璃波浪结构和第二种金属玻璃波浪结构均由若干大小相同、形状一致且周期性排列的单元组成，基底填充在第一种金属玻璃波浪结构和第二种金属玻璃波浪结构之间及周围。

每个单元均包括两条韧带，两条韧带为大小相同朝向相反的圆弧结构。

两条韧带的上下两侧的表面形状相同，均为半径相同、圆心角相同的圆弧。

第一种金属玻璃波浪结构和第二种金属玻璃波浪结构为金属玻璃，基底采用高分子聚合物、多孔材料或常见金属。

第一种金属玻璃波浪结构和第二种金属玻璃波浪结构的特征尺度为纳米量级到厘米量级。