[发明专利]一种连续金属玻璃纤维及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及非晶态合金(金属玻璃)与玻璃纤维制造工艺等领域，特别涉及了一类全新的可以作为复合材料增强体的连续金属玻璃纤维及其制备方法。

背景技术

金属玻璃是二十世纪60年代以来发展起来的一种新材料。它是指一定冷却速度下，主要组成元素为金属的某些合金熔体在过冷的情况下结晶相的形核与生长被完全抑止，继续冷却到室温并保留液态结构的非晶态合金。与普通的非晶态氧化物玻璃一样，金属玻璃在连续升温的时候，在某一温度也会发生玻璃转变(这一温度被称为T_g)，粘度急剧降低，进入具有很高塑性流变能力的过冷液体状态。这些本质的特征揭示了金属玻璃也是玻璃家族中的一员，是一类全新的主要由金属元素组成的玻璃。

与常规金属材料相比，金属玻璃的主要结构特征为原子排列没有长周期的有序度，也没有位错、晶界等缺陷，不能通过滑移变形。因此，金属玻璃具有超高强度、高硬度、高弹性极限、优异的耐腐蚀性能等诸多优点。自它刚刚问世，就引起了材料科学界极大的兴趣。但是，早期发现的一些合金的玻璃形成能力(一般以合金熔体能够形成玻璃的临界冷却速度表示，临界冷却速度越低，玻璃的形成能力就越高)都特别低，在极高冷却速度(10⁵～10⁶K/s)下也仅仅能够形成数十微米厚的金属玻璃条带，极大地限制 了其工业应用。

后来科学界发现金属玻璃的形成能力与合金的成分密切相关，于是人们把重点放在了通过设计与调整合金成分，使之在较低的冷却速度下也能获得金属玻璃的道路上来。学术界一般以按原子比计算，合金中含量最多的元素来确定金属玻璃的体系(基)。例如，某种金属玻璃体系中Mg的原子比含量最高，则称该合金体系为镁基金属玻璃体系。而某一特定合金体系(如镁基金属玻璃)，又可以根据第二、第三、第四、乃至更多其它合金组元的不同，划分为更多不同“级别”的亚系(如镁-铜-稀土系列、镁-锌-钙系列)。每一特定的亚系合金在一定的成分区间上仍然会保持一定的玻璃形成能力，如Mg₆₁Cu₂₈Gd₁₁与Mg₆₉Cu₂₁Gd₁₀都具有较强的玻璃形成能力，使得即使同一具体亚系的合金也会表现出性能的多样性。

经过数十年的发展，尤其是诞生于20世纪80年代末的块体金属玻璃是这一思想实现的一个重要里程碑。块体金属玻璃是指样品尺寸在三个方向都具有一定尺寸(通常不小于1mm)的“三维”金属玻璃。据不完全统计，目前已有钯、铂、金、钙、镁、铜、钛、铁、钴、镍、锆、铪、钇、以及镧系稀土(包括十五中不同的稀土元素)为基的二十多个大系的合金可以做成块体金属玻璃，具体的亚系至少已有数百甚至上千种；如果考虑某一合金亚系中元素比例的不同变化，具体的合金成分更是不计其数。这还不包括某些接近形成块体(可以做成100～780μm的薄板)并有重要工业应用前景的金属玻璃体系(如Al基金属玻璃)，以及潜在的没有被发现的金属玻璃体系。

块体金属玻璃的出现，临界冷却速度的降低，使得常规实验条件下通 过超过这一临界冷却速度来获得金属玻璃就变得比较容易了。目前，学术界通常以铜模浇铸的方法能够获得的完全玻璃态合金的临界圆棒直径来间接而直观地衡量金属玻璃的形成能力。大致来讲，通过铜模浇铸获得的1mm、5mm、10mm金属玻璃圆棒心部的冷却速度分别大致为1000K/s、100K/s、10K/s量级。特别地，表1列出了已经发现的临界直径Dc≥10mm(即大致临界冷却速度小于10K/s)的合金成分(原子百分比)。

表1目前发现的临界直径Dc≥10mm的合金成分(原子百分比)

其中，临界直径为25mm与72mm的强玻璃形成能力合金的临界冷却速度经测得分别约为1K/s与0.067K/s。也就是说，只要冷却速度超过这其 临界速度，该成分合金的熔体就能够获得完全的玻璃态。如此低的冷却速度，空冷的条件下就可以获得了。

块体金属玻璃研究的不断深入，尤其以常用工程金属(如铁、铜、铝、镁、钛等)作为主要元素的块体金属玻璃体系的不断涌现，使得人们可以获得足够大的样品，进行各类实验研究，并憧憬其广泛的工业应用前景。人们已经发现，与传统的晶态合金相比，块体金属玻璃一般拥有如下诸多的潜在优异性能：

(1)优异的力学性能：高屈服强度、高弹性应变极限、高硬度、高耐磨性等。