本發(fā)明涉及非晶合成領(lǐng)域，具體涉及一種利用脈沖激光制備非晶合金裝置、方法及應(yīng)用。

背景技術(shù)：

非晶合金(又稱金屬玻璃)是由超急冷凝固，合金凝固時(shí)原子來不及有序排列結(jié)晶，得到的固態(tài)合金是長程無序結(jié)構(gòu)，沒有晶態(tài)合金的晶粒、晶界存在。非晶態(tài)合金因其有別于一般金屬的諸多獨(dú)特性能，使其成為凝聚態(tài)物理學(xué)的前沿領(lǐng)域，成為國內(nèi)外材料科學(xué)界的研究開發(fā)重點(diǎn)。

在50多年的發(fā)展過程中出現(xiàn)了許多用于制備非晶材料的技術(shù)，主要包括液相急冷法[brownlm,paisa,pippardsb.twentiethcen-turyphysics.bristolandphiladelphia:instituteofphysicspublishing,1995]、沉積薄膜法[kramerj.annln.phys.1934,19:37]、多層膜界面固相反應(yīng)法、機(jī)械合金化法、反溶化方法、離子束混合和電子輻射法、氫化法、壓致非晶化法等[johnsonwl.prog.mater.sci.,1986,30:81]。其中液相急冷法是現(xiàn)如今使用最為廣泛，可用于實(shí)現(xiàn)大塊非晶合金材料制備的有效手段。基于液相急冷思想也發(fā)展出諸多實(shí)用技術(shù)，包括噴濺冷卻、雙輥極冷軋制法、單滾筒離心冷卻法、水淬法、助溶劑包裹法、金屬模澆法等[pondr.maddinr.tms-aime,1969,245:2475；chenhs.millerce.rev.sci.instru.,1970,41:1237]。然而采用現(xiàn)有液相急冷技術(shù)能夠達(dá)到的最大冷卻約10⁶k/s[progressinphysics,33,177(2013)]，也被認(rèn)為液相金屬互熔體能否形成非晶態(tài)合金的界限。這意味著，對(duì)于需要冷卻速度達(dá)到更快的合金材料，現(xiàn)有液相冷卻技術(shù)將無法制備。

脈沖激光對(duì)材料進(jìn)行處理已經(jīng)廣泛應(yīng)用于產(chǎn)業(yè)，例如激光焊接、激光切割、激光打標(biāo)、激光表面處理、激光增材制造等?，F(xiàn)有的脈沖激光對(duì)非晶材料的處理也多圍繞上述應(yīng)用進(jìn)行，如cn102218607b中提供了塊體非晶合金的脈沖激光切割方法，cn105364314a提供了一種對(duì)于fesib非晶帶材獲得非晶接頭的焊接方法，cn102719625a提供了一種提高塊體非晶合金及其結(jié)構(gòu)件室溫塑性的方法及裝置等。目前為止，脈沖激光技術(shù)尚未被應(yīng)用于非晶材料的制備領(lǐng)域。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

鑒于現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明的目的在于提供一種利用脈沖激光制備非晶合金裝置、方法及應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了高效制備傳統(tǒng)液相極冷技術(shù)無法制備的非晶合金，擴(kuò)大了非晶材料體系。

為達(dá)此目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

第一方面，本發(fā)明提供了一種利用脈沖激光制備非晶合金的方法，所述方法為：利用脈沖激光將合金材料加熱至熔化后，停止脈沖激光，合金熔化區(qū)域快速冷卻，得到非晶合金。

本發(fā)明通過控制脈沖能量利用脈沖激光對(duì)合金材料進(jìn)熔化處理后，采用短脈沖寬度的激光范圍，能夠獲得極高的區(qū)域冷卻速度，材料冷卻速度最高可達(dá)10¹²k/s，遠(yuǎn)高于現(xiàn)有液相急冷技術(shù)所能獲得的最高冷卻速度10⁶k/s，進(jìn)而可以得到更多種非晶材料。本發(fā)明可以高效制備傳統(tǒng)液相極冷技術(shù)無法制備的非晶合金，從而擴(kuò)大了非晶材料體系。

根據(jù)本發(fā)明，所述脈沖激光的脈沖寬度為1ps-1s，例如可以是1ps、10ps、100ps、1ns、10ns、100ns、1μs、10μs、100μs、1ms、10ms、100ms或1s等，以及上述數(shù)值之間的具體點(diǎn)值，限于篇幅及出于簡明的考慮，本發(fā)明不再窮盡列舉。

根據(jù)本發(fā)明，所述脈沖激光的脈沖強(qiáng)度為0.01mj-10mj，例如可以是0.01mj、0.02mj、0.05mj、0.08mj、0.1mj、0.3mj、0.5mj、0.8mj、1mj、3mj、5mj、8mj或10mj，以及上述數(shù)值之間的具體點(diǎn)值，限于篇幅及出于簡明的考慮，本發(fā)明不再窮盡列舉。

對(duì)于本發(fā)明而言，脈沖激光調(diào)節(jié)器可調(diào)節(jié)的脈沖寬度和脈沖能量均適用于本發(fā)明，并不僅限于上述的1ps-1s和0.01mj-10mj。

本發(fā)明通過調(diào)節(jié)脈沖激光的脈沖寬度、脈沖強(qiáng)度、脈沖時(shí)域以及脈沖空域，用于控制合金材料的加熱溫度和降溫速度：脈沖強(qiáng)度主要控制材料的加熱溫度，脈沖強(qiáng)度越大，溫度越高，材料越易熔化；合金熔化區(qū)域的冷卻速度隨著脈沖激光脈寬的增加而逐漸減小，如圖2所示，隨著脈沖寬度由1ps(10^-12s)逐漸增加到1s，冷卻速度從10¹²k/s逐漸降低到10²k/s。其中，所述脈沖激光的脈沖寬度包括但不限于1ps-1s，所述脈沖激光的脈沖強(qiáng)度包括但不限于0.01mj-10mj，所述脈沖激光的時(shí)域波形為短上升沿及緩慢衰減，所述空域波形為光斑中心較光斑邊緣弱。

本發(fā)明中，任何形態(tài)的合金材料均適用于本發(fā)明，優(yōu)選地，本發(fā)明所述的合金材料可以為合金塊體或合金薄膜，但非僅限于此。

根據(jù)本發(fā)明，所述合金薄膜的厚度為10nm-100nm，例如可以是10nm、20nm、30nm、40nm、50nm、60nm、70nm、80nm、90nm或100nm，以及上述數(shù)值之間的具體點(diǎn)值，限于篇幅及出于簡明的考慮，本發(fā)明不再窮盡列舉。

本發(fā)明利用本領(lǐng)域的常規(guī)技術(shù)制備所述合金薄膜，例如可以通過磁控濺射或熱蒸發(fā)等技術(shù)進(jìn)行制備，但非僅限于此，凡是能夠制備合金薄膜的技術(shù)都適用于本發(fā)明。

根據(jù)本發(fā)明，所述合金熔化區(qū)域的冷卻速度為10²k/s-10¹²k/s；例如可以是10²k/s、10³k/s、10⁴k/s、10⁵k/s、10⁶k/s、10⁷k/s、10⁸k/s、10⁹k/s、10¹⁰k/s、10¹¹k/s或10¹²k/s，以及上述數(shù)值之間的具體點(diǎn)值，限于篇幅及出于簡明的考慮，本發(fā)明不再窮盡列舉。

第二方面，本發(fā)明提供一種脈沖激光制備非晶合金裝置，所述裝置包括脈沖激光發(fā)射裝置和待處理樣品(106)；其中，所述脈沖激光發(fā)射裝置包括脈沖激光器(101)、隔離器(102)、時(shí)域調(diào)節(jié)器(103)、空域調(diào)節(jié)器(104)以及聚焦鏡(105)；在脈沖激光器(101)發(fā)射的激光光路上從上至下依次設(shè)置隔離器(102)、時(shí)域調(diào)節(jié)器(103)、空域調(diào)節(jié)器(104)以及聚焦鏡(105)；在所待處理樣品(106)上劃分樣品微區(qū)(107)，所述樣品微區(qū)(107)周圍設(shè)置局部真空環(huán)境(108)；所述脈沖激光發(fā)射裝置位于樣品微區(qū)(107)正上方。

為了防止樣品被氧化，本發(fā)明選擇在樣品微區(qū)(107)周圍設(shè)置局部真空環(huán)境(108)，所述局部真空環(huán)境(108)可以通過外部設(shè)備制造得到，例如在脈沖激光發(fā)射裝置光路上與樣品貼合處設(shè)置一個(gè)半圓形裝置，可通過泵對(duì)其抽真空，進(jìn)而達(dá)到使樣品微區(qū)(107)處于真空環(huán)境的目的。同樣，也可以把待處理樣品(106)直接置于真空環(huán)境中。設(shè)置真空環(huán)境的方式有多種，本發(fā)明對(duì)此不做特殊限定，應(yīng)當(dāng)理解為：只要使利用脈沖激光制備非晶合金時(shí)作用的區(qū)域置于真空環(huán)境下即可。

根據(jù)本發(fā)明，所述待處理樣品(106)即為用于制備非晶合金的合金材料，優(yōu)選為合金塊體或合金薄膜。

本發(fā)明可以任選地在所述脈沖激光制備非晶合金裝置中設(shè)置非晶檢測裝置；利用所述非晶檢測裝置可以實(shí)現(xiàn)對(duì)合金熔化區(qū)域快速冷卻后得到的非晶合金區(qū)域進(jìn)行檢測。

所述非晶檢測裝置可以為本領(lǐng)域公知的非晶合金的檢測手段，優(yōu)選為反射率檢測裝置或xrd檢測裝置。

根據(jù)本發(fā)明，所述脈沖激光制備非晶合金裝置還包括組件控制、數(shù)據(jù)分析裝置；所述組件控制、數(shù)據(jù)分析裝置為一臺(tái)計(jì)算機(jī)，所述計(jì)算機(jī)與脈沖激光發(fā)射裝置、樣品控制裝置以及非晶檢測裝置相連接，對(duì)上述組件進(jìn)行控制及數(shù)據(jù)分析。

第三方面，本發(fā)明提供一種如第二方面所述的裝置的應(yīng)用，所述應(yīng)用的具體操作為：利用計(jì)算機(jī)控制脈沖激光器(101)發(fā)射激光，激光上從上至下依次經(jīng)過隔離器(102)、時(shí)域調(diào)節(jié)器(103)、空域調(diào)節(jié)器(104)以及聚焦鏡(105)，最終落在待處理樣品(106)上的樣品微區(qū)(107)；所述樣品微區(qū)(107)周圍設(shè)置局部真空環(huán)境(108)；將樣品微區(qū)(107)加熱至熔化后，停止脈沖激光，合金熔化區(qū)域快速冷卻，得到非晶合金。

與現(xiàn)有技術(shù)方案相比，本發(fā)明至少具有以下有益效果：

本發(fā)明通過可控脈沖能量束對(duì)合金材料進(jìn)行處理，并進(jìn)行快速冷卻，最快冷卻速度可達(dá)10¹²k/s，比現(xiàn)有技術(shù)提高數(shù)個(gè)量級(jí)，實(shí)現(xiàn)了高效制備傳統(tǒng)液相極冷技術(shù)無法制備的非晶合金，擴(kuò)大了非晶材料體系，是用于制備新型非晶的新手段。

附圖說明

圖1為本發(fā)明提供的脈沖激光制備非晶合金裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，圖中：101-脈沖激光器，102-隔離器，103-時(shí)域調(diào)節(jié)器，104-空域調(diào)節(jié)器，105-聚焦鏡，106-待處理樣品，107-樣品微區(qū)，108-局域真空環(huán)境；

圖2為脈沖激光的降溫速度與脈沖寬度變化曲線，圖中橫坐標(biāo)為脈沖寬度，縱坐標(biāo)為冷卻速度。

下面對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。但下述的實(shí)例僅僅是本發(fā)明的簡易例子，并不代表或限制本發(fā)明的權(quán)利保護(hù)范圍，本發(fā)明的保護(hù)范圍以權(quán)利要求書為準(zhǔn)。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖并通過具體實(shí)施方式來進(jìn)一步說明本發(fā)明的技術(shù)方案。

本發(fā)明在具體實(shí)施例部分提供了一種脈沖激光制備非晶合金裝置，如圖1所示：所述裝置包括脈沖激光發(fā)射裝置和待處理樣品(106)；其中，所述脈沖激光發(fā)射裝置包括脈沖激光器(101)、隔離器(102)、時(shí)域調(diào)節(jié)器(103)、空域調(diào)節(jié)器(104)以及聚焦鏡(105)；在脈沖激光器(101)發(fā)射的激光光路上從上至下依次設(shè)置隔離器(102)、時(shí)域調(diào)節(jié)器(103)、空域調(diào)節(jié)器(104)以及聚焦鏡(105)；在所待處理樣品(106)上劃分樣品微區(qū)(107)，所述樣品微區(qū)(107)周圍設(shè)置局部真空環(huán)境(108)；所述脈沖激光發(fā)射裝置位于樣品微區(qū)(107)正上方。

優(yōu)選地，所述脈沖激光制備非晶合金裝置還包括一臺(tái)用于對(duì)上述組件進(jìn)行控制及數(shù)據(jù)分析的計(jì)算機(jī)。

本發(fā)明在具體實(shí)施例部分還提供了一種利用脈沖激光制備非晶合金的方法，所述方法為：利用脈沖激光將合金材料加熱至熔化后，停止脈沖激光，合金熔化區(qū)域快速冷卻，得到非晶合金。

優(yōu)選地，本發(fā)明利用上述脈沖激光制備非晶合金裝置制備非晶合金。

為更好地說明本發(fā)明，便于理解本發(fā)明的技術(shù)方案，本發(fā)明的典型但非限制性的實(shí)施例如下：

實(shí)施例1

本實(shí)施例提供了一種脈沖激光制備非晶合金裝置，所述裝置包括：脈沖激光發(fā)射裝置和待處理樣品106；其中，所述脈沖激光發(fā)射裝置包括脈沖激光器101、隔離器102、時(shí)域調(diào)節(jié)器103、空域調(diào)節(jié)器104以及聚焦鏡105；在脈沖激光器101發(fā)射的激光光路上從上至下依次設(shè)置隔離器102、時(shí)域調(diào)節(jié)器103、空域調(diào)節(jié)器104以及聚焦鏡105；在所待處理樣品106上劃分樣品微區(qū)107，在所述樣品微區(qū)107周圍設(shè)置局部真空環(huán)境108；所述脈沖激光發(fā)射裝置位于樣品微區(qū)107正上方。

所述脈沖激光制備非晶合金裝置還包括一臺(tái)用于對(duì)上述組件進(jìn)行控制及數(shù)據(jù)分析的計(jì)算機(jī)。

按照以下方法利用脈沖激光制備非晶合金：

以厚度為50nm的鋅鎂鋁合金薄膜作為待處理樣品，利用上述脈沖激光制備非晶合金裝置進(jìn)行制備。

控制脈沖強(qiáng)度為2mj，脈沖寬度為1ns，利用計(jì)算機(jī)控制脈沖激光器101發(fā)射激光，激光上從上至下依次經(jīng)過隔離器102、時(shí)域調(diào)節(jié)器103、空域調(diào)節(jié)器104以及聚焦鏡105，最終落在待處理樣品106上的樣品微區(qū)107；在所述樣品微區(qū)107周圍設(shè)置局部真空環(huán)境108；將樣品微區(qū)107加熱至熔化后，停止脈沖激光，合金熔化區(qū)域以10¹⁰k/s的冷卻速度快速冷卻，得到鋅鎂鋁非晶合金。

實(shí)施例2

本實(shí)施例提供了一種脈沖激光制備非晶合金裝置，所述裝置除了設(shè)有反射率檢測裝置外，其他組件和結(jié)構(gòu)與實(shí)施例1中的裝置完全相同。

按照以下方法利用脈沖激光制備非晶合金：

以鈣鎂鋅合金塊體作為待處理樣品，利用上述脈沖激光制備非晶合金裝置進(jìn)行制備。

控制脈沖強(qiáng)度為10mj，脈沖寬度為1ns，利用計(jì)算機(jī)控制脈沖激光器101發(fā)射激光，激光上從上至下依次經(jīng)過隔離器102、時(shí)域調(diào)節(jié)器103、空域調(diào)節(jié)器104以及聚焦鏡105，最終落在待處理樣品106上的樣品微區(qū)107；在所述樣品微區(qū)107周圍設(shè)置局部真空環(huán)境108；將樣品微區(qū)107加熱至熔化后，停止脈沖激光，合金熔化區(qū)域以10¹⁰k/s的冷卻速度快速冷卻，得到鈣鎂鋅非晶合金。利用反射率檢測裝置對(duì)得到的鋅鎂鋁非晶合金區(qū)域進(jìn)行檢測，確定其是否形成了非晶合金及形成區(qū)域面積。

實(shí)施例3

控制脈沖激光的脈沖能量為8mj，脈沖寬度為1μs，輸出脈沖激光，對(duì)厚度為30nm銅鋯鋁合金薄膜進(jìn)行加熱，加熱區(qū)域熔化后，停止脈沖激光，合金熔化區(qū)域10⁸k/s的冷卻速度快速冷卻，在激光的光斑區(qū)域內(nèi)得到銅鋯鋁非晶合金。保持同樣的脈沖能量和脈沖寬度，利用脈沖激光掃描整個(gè)樣品，實(shí)現(xiàn)大范圍非晶制備。

申請(qǐng)人聲明，本發(fā)明通過上述實(shí)施例來說明本發(fā)明的詳細(xì)結(jié)構(gòu)特征，但本發(fā)明并不局限于上述詳細(xì)結(jié)構(gòu)特征，即不意味著本發(fā)明必須依賴上述詳細(xì)結(jié)構(gòu)特征才能實(shí)施。所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該明了，對(duì)本發(fā)明的任何改進(jìn)，對(duì)本發(fā)明所選用部件的等效替換以及輔助部件的增加、具體方式的選擇等，均落在本發(fā)明的保護(hù)范圍和公開范圍之內(nèi)。

以上詳細(xì)描述了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，但是，本發(fā)明并不限于上述實(shí)施方式中的具體細(xì)節(jié)，在本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思范圍內(nèi)，可以對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行多種簡單變型，這些簡單變型均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。

另外需要說明的是，在上述具體實(shí)施方式中所描述的各個(gè)具體技術(shù)特征，在不矛盾的情況下，可以通過任何合適的方式進(jìn)行組合，為了避免不必要的重復(fù)，本發(fā)明對(duì)各種可能的組合方式不再另行說明。

此外，本發(fā)明的各種不同的實(shí)施方式之間也可以進(jìn)行任意組合，只要其不違背本發(fā)明的思想，其同樣應(yīng)當(dāng)視為本發(fā)明所公開的內(nèi)容。