[发明专利]金属富勒氏体的固态铁-碳基体及其形成方法

说明书

本发明涉及金属和金属合金，例如铁-碳钢，特别是涉及一种新型晶体结构的钢或类似钢和物质，在其中碳以富勒氏球分子的形式存在，并且与铁形成金属富勒氏体晶格。

术语“钢”用来表示铁和小百分数碳的合金。在某些命名中，“钢”指的是碳含量约为0.02-1.5%（重量）的任何合金，但在其他的一些用法中指的是含碳多达2.25%或更多的合金。虽然严格的百分数界限可能随命名法而不同，但通常将具有高碳含量的合金称做“铸铁”而不称做钢。

正如熟悉钢的人们通常所知道的那样，铁和碳以两种主要的状态存在，即铁素体（铁）和渗碳体，后者是化合物碳化铁，其化学通式为Fe₃C。

大多数钢还含有附加元素如锰、硅、磷、硫、氧、以及痕量其他元素。其他的钢含有相当百分数的某些元素如镍、铬、钼、钒或钛，它们使所得到的钢具有各种适用的或所希望的性能。

正如多个技术领域的熟悉人员所知道的那样，钢被用于结构、船壳、汽车车身、机械和机器零件、缆索、磨料、化工设备，以及许多其他用途如轮胎加固带等等。在这些用途当中，钢应当按照期望地呈现许多金属性能，包括压缩强度，拉伸强度，延性，硬度，以及作为使用金属而具有有利特性的其他有关性能。

术语“富勒氏球（Fullenes）”指的是最近假设并发现的分子碳的形式，在其中碳原子结合形成球体或类似球体的结构。由于这些分子的结构与建筑师Buckmiuster    Fuller命名并设计的测地圆顶结构之间的相似性，这种分子已被命名为“富勒氏球”，并且基本的和最稳定的分子，即包含60个碳原子的球体已被命名为“buckminsterfullerene”。由于相同的原因，富勒氏球也被称做“布克球”（buckyball）。

最好的可以获得的证据表明，富勒氏球在1985年被首先证实和分离，并且在Donala    Huffman和他的同事们在Arizona大学发现一种形成它们的较简捷的方法时，他们在1990年开始的研究取得了快速的进展（Huffman“Solide”Physics    Today，Nov，PP22～29）。在最近两年中，富勒氏球受到了极大的关注，这是因为它们明显具有高的化学和物理稳定性，而且这种稳定性与基子其分子结构而做出和期待和预言相符合。

由于多种化学以及机械的原因，一种特殊寻找到的富勒氏球的用途是使用较大的尺寸的富勒氏球分子（近似1毫微米，nm即10^-9米），用来“封装”金属原子以生成理论上称为金属富勒氏球的分子，或者说生成如同本文所使用的具有十分独特性能的金属富勒氏体，然而迄今为止，在数量上或以适于商用的成本产生金属富勒氏体，尚未达到成功。

从而，本发明的目的是开发一种在同素异构金属材料中制造金属富勒氏体的方法。

本发明的另一个目的是开发一种类似钢的金属合金，它与另外的具有同样化学组成的传统钢相比具有改善的性能，并通过将独特的富勒氏球结构引入钢或类似钢的合金的晶体结构中来达到。

本发明用一种金属富勒氏体的固态铁-碳基体，以及制造这种固体的方法来达到这些目的。按照目前最佳的理解，看来金属富勒氏体是以环绕铁分子的富勒氏球分子的形态，环绕铁分子行或链的富勒氏球分子链的形态，以及二者相结合的形态存在，以形成均匀的更大的复合结构。这些结构呈现出独特的和改善的性能，但另一方面具有与传统材料类似的化学组成。

另一方面，本发明包括一个独特的新型金属富勒氏体材料族，而本文所述的铁-碳就是该材料的一个例子，这些新材料由同素异构的金属材料（以铝、铬、钴、铜、铁、钼、镍、铂、钛、钨、以及钒为基的）构成，在其中碳是首要组分，并且还可以掺入任何适宜的合金化组分，以保证所述材料的性能。

再一个方面，本发明包括一种生产本文所述与钢类似的合金的方法。该方法包括：将同种同素异构金属的高碳同素异构金属组份和低碳同素异构金属组份，以足以形成具有所需碳含量的混合物的量加以混合;将该混合物加热至高碳组份变为液体的温度，但同时低于低碳组份变为液体的温度;并且对该具有所需碳含量的混合物暂时在这个同素异构转变的温度范围内保温，保温时间应足以使存在的碳形成富勒氏球和富勒氏球的链。使得在该混合物中形成富勒氏球和富勒氏球的链。