[发明专利]一种基于螺旋体结构的三维周期互连非晶-晶体合金双相复合材料

说明书

一种基于螺旋体结构的三维周期互连非晶‑晶体合金双相复合材料，采用螺旋体曲面作为复合材料的界面，通过改变螺旋体曲面函数中的参数，可以改变螺旋体曲面的空间位置，从而控制非晶合金与晶体合金相的体积含量，进而调控整体力学性能；晶体合金相与非晶合金相为空间互补的两相，且均可以在三维空间中周期扩展。由于两相为三维互连网络结构，因此该复合材料并无明显的基体相与增强相的分别。三维周期结构可采用金属粉末3D打印方式制备，可克服非晶合金尺寸无法做大的缺点。本发明将非晶合金与晶体合金的优点进行了完美结合，能有效地提升材料的强度、塑性、断裂韧性等力学性能，以及具有良好的阻尼性质，能够在结构用件、阻尼吸能等领域得到应用。

技术领域

本发明涉及复合材料技术领域，具体涉及一种基于螺旋体结构的三维周期互连非晶-晶体合金双相复合材料。

背景技术

复合材料是指至少由两种相组合而成的异质材料。由于结合了多个相的优点，复合材料比传统材料具有更优的力学性能，例如高强轻质等，因此在航空、航天，风力发电、船舶、汽车、建筑等领域得到了广泛应用。复合材料可根据组分的类型进行分类，如果基体材料为金属则为金属基复合材料。与传统的金属材料相比，金属基复合材料具有诸多优点：高强度质量比、高抗疲劳性、高耐磨性、低的热膨胀系数等，并且能够通过调整材料属性以满足不同的设计要求。

非晶合金是通过快速冷却金属合金液体而得到的非晶态固体。不同于传统的晶体合金，其具有短程有序、长程无序的原子排布特点。由于独特的无序结构，因而不具备传统晶体合金中的位错、晶界等诸多缺陷，使得其屈服强度接近理论极限。非晶合金具有非晶态物质特有的玻璃转变行为，当温度升高至玻璃转变温度附近，其模量将发生数量级的软化表现为超塑性行为，因而可以在远低于熔点的温度下进行一次性压铸成型。然而，由于塑性变形高度局域化在狭窄的剪切带上，室温下的非晶合金往往呈现为脆性断裂特征。另外，由于制备过程中需要极高的冷却速率，目前实验室条件下所制备的非晶合金尺寸仍在厘米级范围，这极大地限制了非晶合金作为结构材料的应用。

基于螺旋体结构的三维周期互连非晶-晶体双相复合材料，晶体与非晶合金相在空间结构上完美互补。材料兼具非晶合金与晶体合金的优点：在保留高强度的前提下，大幅提高室温塑性；同时两相为三维周期互连网络结构，可通过金属粉末3D打印技术实现大尺寸块体非晶-晶体合金复合材料的制备。

发明内容

为了改善上述非晶合金尺寸有限，缺乏室温塑性的缺点，本发明设计一种基于螺旋体结构的三维周期互连非晶-晶体合金双相复合材料，在保留高强度、高断裂韧性的前提下提升其室温塑性。而且两相结构均为三维周期性结构，可在X、Y、Z三个方向上分布进行周期性复制以获取大尺寸结构，使得其可作为工程结构件使用。

采用金属3D打印技术进行制备,非晶合金和晶体合金原料为合金粉末，制备过程中需精确控制每一层非晶合金和晶体合金粉末的分布。

非晶合金可采用Zr基、CuZr基、Ti基等高强度非晶合金体系，晶体合金可采用模量相近的晶体合金体系。

螺旋体结构曲面的控制函数为:

式子中x,y,z分别为三个方向的坐标分量，l为立方体基本单元的边长，参数t为常数。

f(x,y,z)0的空间结构为非晶合金相，f(x,y,z)0的空间结构为晶体合金相。

两相的体积含量可以由螺旋体曲面函数中的参数t来调节，其中参数t的可调节范围设置为[-1,1]。

非晶合金与晶体合金相在空间上为互补结构，体积之和为1。

两相复合材料的基本结构单元在三维空间上呈现出周期性，可在X、Y、Z三个方向进行扩展以获得尺寸较大的结构。

通过适当调整两相的体积分数以及周期性可以获取力学性能更优的复合材料结构。

附图说明