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

1.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：

2.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。
3.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。
4.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。


技术实现要素：

5.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。
6.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。
7.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。
8.螺旋体结构曲面的控制函数为:
[0009][0010]
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。
[0011]
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。
[0012]
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]。
[0013]
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。
[0014]
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。
[0015]
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
[0016]
下面结合附图对本发明进行详细说明：
[0017]
其中图中数字1为非晶合金相，2为晶体合金相；
[0018]
图1为本发明中由两相等体积含量的螺旋体结构单元组合而成的复合材料示意图，此时参数t＝0，非晶合金相与晶体合金相的体积含量相同；
[0019]
图2为本发明中由两相不同体积含量的螺旋体结构单元组合而成的复合材料示意图，此时参数t＝0.8，非晶合金相的体积含量大于晶体合金晶体；
[0020]
图3为本发明中由图1中的复合材料基本单元沿三维方向周期扩展2倍之后的非晶-晶体合金复合材料结构示意图。
具体实施方式
[0021]
下面结合附图对本发明进一步说明：
[0022]
图1为本发明中的非晶-晶体合金双相复合材料的基本结构重复单元以及其组成。该基本单元包含非晶合金相1和晶体合金相2。非晶合金相1和晶体合金相2的三维结构由螺旋体三维曲面函数f(x,y,z)控制，其中f(x,y,z)》0的空间为非晶合金相1，f(x,y,z)《0的空间为晶体合金相2，因此两相在空间上为互补结构。
[0023]
非晶合金相1和晶体合金相2的体积含量是由参数t调控的，如图1所示的两相体积含量相同，此时参数t＝0；图二中的非晶合金相1的体积含量大于晶体合金相2，此时参数t＝0.8。其他体积含量的分布也可通过调节参数t获得，然而，为了保证两相均为三维互连结构，设置t的调整范围为在[-1,1]之间。
[0024]
本发明中的双相复合结构单元为周期性结构，可在x、y、z三个方向进行周期型扩展以获得较大尺寸的空间结构。周期扩胞后的两相具有更为复杂的空间结构，且保持三维空间互联结构，使得两相的结合更为紧密。
[0025]
采用金属3d打印制备材料时，金属粉末原材料需要按照所设计的两相的空间分布
进行逐层铺粉，精确控制每层粉末中两相的分布区域。通过激光加热将双相金属粉末烧结固定，然后进行下一层铺粉和激光烧结直至整个结构打印完毕。
[0026]
采用金属3d打印制备过程中，依据非晶合金相的玻璃转变温度以及晶化温度调节打印温度，以避免形成的非晶合金相发生明显晶化造成性能劣化。
[0027]
上述提及的3d打印制备方案的目的是为了帮助理解本发明中的双相结构复合材料，在不脱离本发明及所附权利要求的范围内采用其他替代制备方案也是可能的。
[0028]
最后需要明确的是，本发明中的双相为非晶合金相与晶体合金相，然而在双相结构的空间分布确定的情形下，可将本发明中提及非晶合金相和晶体合金相替换成其他不同的金属合金相。例如双相均为非晶合金但具体组分不同，或均为晶体合金相但组分不同。此外，本发明中的基本结构单元的三个方向的尺寸相等实际制备时也可以采用不同的边长，如三个方向尺寸进行一定比例的放缩。因此本发明不应局限于上述公开的内容，所要求保护的范围应当以权利要求书界定的范围为准。


技术特征：
1.一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，其特征在于：具有非晶合金(1)与晶体合金(2)双相互连三维周期结构。2.根据权利要求1所述的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，其特征在于：双相界面由螺旋体曲面的函数表达式精确控制，双相的体积分数由函数表达式中的参数进行控制，双相的体积分数之和为1。3.根据权利要求1所述的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，其特征在于：所述结构为三维周期性结构，可在三维空间中三个周期方向进行扩展进而得到大体积的非晶-晶体复合材料。4.根据权利要求1所述的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，其特征在于：非晶合金相与晶体合金相均为三维互连网络结构，不存在明显的基体相与增强相之分。5.根据权利要求1所述的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，其特征在于：所述的非晶合金相是一类在快速冷却下来不及结晶从而获得的非晶态合金固体，具有高强度、高弹性极限、耐磨损、耐腐蚀等特性。

技术总结
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。领域得到应用。


技术研发人员：乔吉超 吕国建 吴伟强 张剑
受保护的技术使用者：西北工业大学
技术研发日：2023.02.27
技术公布日：2023/7/31