本發(fā)明涉及一種超材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種具有手性微結(jié)構(gòu)的金屬玻璃超材料。

背景技術(shù)：

多孔結(jié)構(gòu)常被用作結(jié)構(gòu)防護材料和夾芯填充材料，現(xiàn)在已經(jīng)廣泛應用于航空、航天等重要領(lǐng)域，包括一些結(jié)構(gòu)的主、次承力結(jié)構(gòu)件，如機翼、機身、尾翼以及雷達罩等部位。多孔結(jié)構(gòu)與其他傳統(tǒng)材料相比，具有相對密度小、能夠減少應力集中等特性，還可以通過對結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設計，獲得較好的減振、隔熱等特殊性能。普通的多孔結(jié)構(gòu)在受到載荷作用時，宏觀變形通常表現(xiàn)為正泊松比特性，即在垂直于載荷作用的方向上，材料會由加載部位向四周擴散，特別是受到?jīng)_擊載荷的情況下，造成材料結(jié)構(gòu)局部的松散軟化。而且相對塊體材料來說，普通多孔結(jié)構(gòu)的強度并不高，大部分結(jié)構(gòu)的強度極限遠低于相同尺寸大小的塊體合金材料，在強度上并沒有特別明顯的優(yōu)勢。再加上制備多孔結(jié)構(gòu)的材料大都是傳統(tǒng)合金，由于晶界、位錯等缺陷的存在，傳統(tǒng)合金的彈性極限較小，在承受大載荷時，很容易發(fā)生不可逆的塑性變形，造成結(jié)構(gòu)失穩(wěn)破壞。要進一步改善這些缺陷，合理的結(jié)構(gòu)設計和制作材料的選擇就顯得尤為關(guān)鍵。

而手性結(jié)構(gòu)作為一種特殊的負泊松比多孔結(jié)構(gòu)，同樣具有多孔結(jié)構(gòu)的特殊性能。除此之外，手性結(jié)構(gòu)還具有負泊松比的特性，在受到載荷后，特別是沖擊載荷，會向受載部位附近收縮，使材料的局部密度增大，吸收部分沖擊產(chǎn)生的能量，進而提高其抗沖擊載荷的能力。相對于同樣尺寸大小的塊體材料，傳統(tǒng)手性結(jié)構(gòu)雖然可以有效降低構(gòu)件的重量，但是與此同時其整體的楊氏模量、強度極限同樣會大幅度的降低，無法承受大載荷，在很大程度上限制了手性結(jié)構(gòu)在特定領(lǐng)域的應用。此外，傳統(tǒng)的手性結(jié)構(gòu)大多應用于大尺寸的結(jié)構(gòu)件，對細微承力結(jié)構(gòu)就不太適用，而且也無法制備出精確度要求很高的器件，比如在微電子行業(yè)的一些元器件。

金屬玻璃，又稱為非晶合金，是通過對熔融狀態(tài)時的金屬液體快速冷卻獲得的非晶態(tài)固體。金屬玻璃短程有序、中長程無序的微觀結(jié)構(gòu)，不會出現(xiàn)位錯和晶界等缺陷，使其屈服極限接近理論極限。而且金屬玻璃易加工、易成型，是由于表面原子排列致密，具有很精準的熱形成能力，可以達到納米級別的表面精度，能夠?qū)崿F(xiàn)各種精細結(jié)構(gòu)的精確制備。而且金屬玻璃在具有高的屈服強度的同時，還具有高彈性極限、高強度、耐磨損和耐腐蝕等優(yōu)異性能。但是與此同時，由于沒有滑移面、位錯等塑性變形機制，金屬玻璃的室溫塑性變形能力極差，通常拉伸塑性應變近乎為0。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了改善上述多孔結(jié)構(gòu)、手性結(jié)構(gòu)、金屬玻璃的缺陷，本發(fā)明提供一種具有手性微結(jié)構(gòu)的金屬玻璃超材料，利用各自的長處，把手性多孔微結(jié)構(gòu)應用到金屬玻璃中，在保持輕質(zhì)、負泊松比的情況下，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)整體的高彈性、高強度、大塑性，很大程度上改進了傳統(tǒng)手性材料以及金屬玻璃本身的力學性能，并且利用金屬玻璃超高的加工精度，實現(xiàn)了從微觀領(lǐng)域到宏觀范圍的多尺度金屬玻璃超材料制備，有望應用于吸聲、吸能、減振等特定領(lǐng)域，比如應用于坦克、潛艇防護裝甲的結(jié)構(gòu)件。

為了達到以上目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種具有手性微結(jié)構(gòu)的金屬玻璃超材料，把手性微結(jié)構(gòu)運用到金屬玻璃材料中，包括由金屬玻璃材料制備的多個圓柱1以及連接圓柱的韌帶2。

所述多個圓柱1是實心或者空心等截面圓柱，大小一致，且相鄰圓柱之間的距離相等，為正多邊形排列。

所述的韌帶2具有相同的厚度，且相鄰韌帶的夾角均相同，采用手性排列或反手性排列。

每個圓柱及其連接的韌帶2形成的手性微結(jié)構(gòu)的尺度為微納米量級，是一種具有負泊松比的輕質(zhì)多孔結(jié)構(gòu)。

所述金屬玻璃材料是快速冷卻金屬液體獲得的非晶態(tài)金屬固體，具有易加工、易成型、高彈性、高強度、耐磨損和耐腐蝕的特性。且金屬玻璃表面原子排列致密，具有很高的表面精度，可以實現(xiàn)納米級別的加工精度。

通過改變韌帶2厚度來調(diào)控變形與斷裂機制，當韌帶2厚度小于100納米時，結(jié)構(gòu)整體發(fā)生硬化現(xiàn)象和塑性破壞；當韌帶2厚度大于100納米時，結(jié)構(gòu)整體發(fā)生剪切帶脆性斷裂。

通過改變韌帶2數(shù)量、長度、排列方式或者圓柱1的半徑來調(diào)控其整體力學性能，韌帶2長度越長，或者圓柱1的半徑越小，結(jié)構(gòu)的密度和強度會相應降低，但是塑性會明顯增加。

每個圓柱上連接的韌帶2的數(shù)量為三條、四條或六條。

當具有手性微結(jié)構(gòu)的金屬玻璃超材料受到外加載荷時，比如單向壓縮加載，其變形機制為圓柱1不變形，韌帶2變形。圓柱1發(fā)生轉(zhuǎn)動，韌帶部分受到壓縮并彎曲變形，同時韌帶2隨著圓柱1的轉(zhuǎn)動旋轉(zhuǎn)一定角度，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的宏觀形變，達到吸能變形的目的。由于金屬玻璃超高的彈性極限以及強度極限，因此該金屬玻璃手性結(jié)構(gòu)的變形極限和承受載荷的極限要比傳統(tǒng)合金的要大幾個數(shù)量級，完全可以達到高彈性、高強度、大塑性的力學性能。

和現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點：

(1)通過特殊的結(jié)構(gòu)設計，本發(fā)明巧妙地將金屬玻璃高彈性、高強度、高耐磨與手性結(jié)構(gòu)本身具有的輕質(zhì)、負泊松比等特性完美結(jié)合，從而提高結(jié)構(gòu)整體承受大變形大載荷的能力，最終實現(xiàn)吸聲、吸能、減振等目標，極大改善了傳統(tǒng)多孔材料、手性材料、以及金屬玻璃的力學性能。比如應用于坦克、潛艇的防護裝甲。由于坦克的防護裝甲需要抵御炮彈的沖擊貫穿，在確保安全性的前提下，同時要求重量盡量小，盡可能提高坦克的機動性，因此其裝甲要求輕質(zhì)、高強度、高彈性、抗沖擊性能好的材料。當使用本發(fā)明的超材料的防護裝甲時，在受到?jīng)_擊載荷的作用時，由于該超材料高強度、高彈性、斷裂韌性極高，而且具有負泊松比特性，該結(jié)構(gòu)能夠向沖擊點附近收縮，造成沖擊點周圍材料的局部密度增大，有利于承受沖擊載荷，阻礙炮彈貫穿整個裝甲。此外，得益于手性微結(jié)構(gòu)的內(nèi)部周期性結(jié)構(gòu)，防護裝甲同時具有了吸聲的效果，能夠吸收坦克發(fā)動機以及其他儀器發(fā)出的噪聲，降低被發(fā)現(xiàn)的概率，也給內(nèi)部人員提供了合適的環(huán)境。

(2)而且得益于金屬玻璃具有很精準的熱形成能力，能夠達到納米級別的表面精度，本發(fā)明可以實現(xiàn)從納米范圍到宏觀領(lǐng)域的多尺度精確制備。

(3)通過改變圓柱的半徑或者韌帶的數(shù)量、長度、厚度與排列方式，本發(fā)明可以有效的控制結(jié)構(gòu)整體的變形與斷裂機制，調(diào)控其楊氏模量、剪切模量、泊松比等整體力學性能，從而適應不同的工作場合，使得其可以滿足某些領(lǐng)域的獨特要求，比如吸聲、吸能、減振等需求。

(4)金屬玻璃易加工、易成型，表面原子排列致密，其表面精度在納米級別，具有很高的加工精度，完全能夠滿足納米級別的手性微結(jié)構(gòu)的制備需求。

(5)由于是用具有高強度高耐磨的金屬玻璃作為制備材料，因此相應的結(jié)構(gòu)件磨損破壞的過程也將非常緩慢。

(6)得益于金屬玻璃的高彈性極限，在卸載后，只要沒有達到彈性極限，相應的結(jié)構(gòu)件可以迅速恢復到起始形態(tài)，使其能夠承受多次加載，方便重復多次使用。

附圖說明

圖1是本發(fā)明有四條韌帶的手性微結(jié)構(gòu)的金屬玻璃超材料示意圖。

圖2是本發(fā)明有六條韌帶的手性微結(jié)構(gòu)的金屬玻璃超材料示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施方式，對本發(fā)明做進一步詳細說明。

下面首先對本發(fā)明的原理和工作過程做如下說明：

本發(fā)明將金屬玻璃優(yōu)異的力學性能與手性結(jié)構(gòu)本身具有的特性相結(jié)合，從而提高結(jié)構(gòu)承受大變形大載荷的能力，最終實現(xiàn)吸聲、吸能、減振等目標。由于金屬玻璃的高彈性、高強度，因此金屬玻璃結(jié)構(gòu)件的變形極限和承受載荷的極限要比傳統(tǒng)合金的要大幾個數(shù)量級。而且得益于金屬玻璃超高的彈性極限，在卸載后，只要變形程度沒有達到彈性極限，結(jié)構(gòu)件可以迅速恢復到起始形態(tài)，使其能夠承受多次加載，方便重復多次使用。再加上金屬玻璃表面原子排列致密，能夠?qū)崿F(xiàn)納米級別的表面精度，完全可以精確加工出手性微結(jié)構(gòu)所需的器件形狀。

由于需要快速冷卻熔融狀的金屬液體才能得到金屬玻璃，傳統(tǒng)的制備方式可能無法制備較為精細的手性微結(jié)構(gòu)金屬玻璃，因此可以采用3d打印技術(shù)，對具有手性微結(jié)構(gòu)的金屬玻璃超材料進行設計制備。首先，通過計算機控制模型設計以及程序編寫；接著，在位于升降平臺的基板上預鋪一定厚度的金屬玻璃粉末；然后，激光束按照預先編制好的程序進行選擇性掃描；在完成上述掃描之后，將升降平臺下降一段距離，保證激光束的聚焦，重新開始掃描；重復上述過程，最后層層累加制備成所需幾何形狀的金屬玻璃。如圖1所示為有四條韌帶的手性微結(jié)構(gòu)的金屬玻璃，圖2則為有六條韌帶的手性微結(jié)構(gòu)的金屬玻璃。

當具有手性微結(jié)構(gòu)的金屬玻璃超材料承受載荷發(fā)生變形時，其變形機制為：圓柱1不變形，只發(fā)生轉(zhuǎn)動，連接圓柱1的韌帶2發(fā)生變形。該結(jié)構(gòu)受到載荷后，圓柱1轉(zhuǎn)動，韌帶部分受壓并發(fā)生彎曲，同時韌帶2隨著圓柱1的轉(zhuǎn)動旋轉(zhuǎn)一定角度，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的宏觀形變，達到承載吸能的目的，能夠在吸聲、吸能、減振等特定領(lǐng)域得到廣泛的應用，比如應用于坦克、潛艇的防護裝甲。由于坦克的防護裝甲需要抵御炮彈的沖擊貫穿，在確保安全性的前提下，同時要求重量盡量小，盡可能提高坦克的機動性，因此其裝甲要求輕質(zhì)、高強度、高彈性、抗沖擊性能好的材料。當使用該超材料的防護裝甲受到?jīng)_擊載荷的作用時，由于該超材料高強度、高彈性、斷裂韌性極高，而且具有負泊松比特性，該結(jié)構(gòu)能夠向沖擊點附近收縮，造成沖擊點周圍材料的局部密度增大，有利于承受沖擊載荷，阻礙炮彈貫穿整個裝甲。此外，得益于手性微結(jié)構(gòu)的內(nèi)部周期性結(jié)構(gòu)，防護裝甲同時具有了吸聲的效果，能夠吸收坦克發(fā)動機以及其他儀器發(fā)出的噪聲，降低被發(fā)現(xiàn)的概率，也給內(nèi)部人員提供了合適的環(huán)境。

由于手性微結(jié)構(gòu)良好的可設計性以及金屬玻璃獨特的力學性能，可以根據(jù)需要對結(jié)構(gòu)進行設計，通過調(diào)整結(jié)構(gòu)單元的圓柱1的半徑以及韌帶2的數(shù)量、厚度、長度和排列方式，控制該結(jié)構(gòu)的變形與斷裂機制，調(diào)控其整體力學性能，滿足吸聲、吸能、減振等不同需要。其中，由于金屬玻璃的斷裂機制是由其尺寸大小決定，通常大于100納米的時候是剪切帶斷裂，小于100納米的時候是塑性斷裂，所以當韌帶2的厚度超過金屬玻璃斷裂機制發(fā)生改變的臨界值后，結(jié)構(gòu)整體的斷裂機制會發(fā)生變化，破壞形式會轉(zhuǎn)變?yōu)榧羟袔У拇嘈詳嗔?，嚴重影響結(jié)構(gòu)整體的承載變形；同時，韌帶2越厚，雖然結(jié)構(gòu)整體的強度會越高，但其負泊松比現(xiàn)象也會越不明顯。韌帶2較薄的時候(小于100納米)，韌帶2的斷裂屬于塑性破壞，能夠引起結(jié)構(gòu)發(fā)生硬化現(xiàn)象，從而大大提高了結(jié)構(gòu)的變形極限。韌帶2的長度越長，或者圓柱1的半徑越小，結(jié)構(gòu)整體的變形與斷裂機制不會發(fā)生改變，雖然結(jié)構(gòu)的密度和強度會有所降低，但塑性會明顯增加。

上述僅是以有四條或者六條韌帶的手性微結(jié)構(gòu)的金屬玻璃為具體實施例，需要指出的是，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應該為本發(fā)明的保護范圍。