[发明专利]一种制备纳米玻璃的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种材料的制备方法，确切讲，本发明涉及金属纳米玻璃的制备方法。

背景技术

纳米玻璃是由纳米尺度的玻璃区域和连接玻璃区域的玻璃/玻璃界面组成的一种新型材料。与玻璃区域内部相比，玻璃/玻璃界面区域原子密度降低、原子排列更加无序、具有更多的自由体积。由于局部增加、在纳米尺度起伏的自由体积，纳米玻璃具有不同于晶态材料和常规玻璃的原子排列结构，而具有不同于晶态材料和常规玻璃的性能，如：高扩散系数、高塑性变形能力以及磁性的变化等。由于含有大量自由体积的玻璃/玻璃界面具有高延展性，而纳米尺度的玻璃区域具有高强度，纳米玻璃正好是高韧性和高强度这两者的组合，所以纳米玻璃的独特结构为玻璃韧化提供了可能性。

目前，国内外成功制备纳米玻璃的方法是惰性气体凝聚和原位加压法，参见R.S.Averback，H.Hahn，H.J.J.C.Logas，Applied Physics Letters，57(1990)1745.，通过此方法已制备出了Au-Si，Pd-Si等纳米玻璃。然而，这一方法所能制备的纳米玻璃的合金体系极有限，且成分难于控制，也难于制备大块材料。且该方法是先获得玻璃纳米颗粒，而后在真空中加压固结，所制得的纳米玻璃致密度较低，不利于对纳米玻璃的结构和性能准确表征，也不利于其应用。

X.D.Wang，Q.P.Cao，J.Z.Jiang，H.Franz，J.Schroers，R.Z.Valiev，Y.Ivanisenko，H.Gleiter，H.J.Fecht，Scripta Materialia 64(2011)81公开了利用金属玻璃不均匀塑性变形制备纳米玻璃的方法，即采用高压扭转设备对金属玻璃进行扭转制备纳米玻璃，其中剪切带间距约50nm，但这一方法所用的设备复杂，制备成本很高。

发明内容

本发明提供一种可克服现有技术不足的制备纳米玻璃的方法。

本发明制备纳米玻璃的方法是将金属玻璃的片材在轧机上进行大应变速率与大应变量的轧制。

已有的研究表明，金属玻璃在低温(明显低于玻璃化转变温度)、高应变速率下会发生不均匀性塑性变形，即形变高度局域化在剪切带。与未变形的玻璃区域相比，剪切带上原子排列更加无序、具有比未变形玻璃区域内部高约5倍的自由体积，即剪切带具有与前述玻璃/玻璃界面相似的低原子密度、高自由体积和更无序的原子排列结构的特征。因此，如果能够通过不均匀塑性变形在金属玻璃中引入高密度的间距在纳米尺度的剪切带，那么变形后的金属玻璃就具有与前述纳米玻璃一样的微结构，即获得纳米玻璃。此时，剪切带区域相当于纳米玻璃中连接玻璃区域的界面，而被剪切带分隔开的没有变形的玻璃区域则相当于纳米玻璃中的玻璃区域。

本发明中，由于在低于玻璃化转变温度的室温条件下对金属玻璃进行大应变速率和大应变量的轧制加工，所产生的塑性变形集中于剪切带，形成含有大量的具有高自由体积的类似玻璃/玻璃界面的剪切带。另一方面，显然用本发明的方法获得的纳米玻璃是完全致密的。同时也可看出，本发明的方法可以制备出较大尺寸的金属纳米玻璃。

本发明方法所需设备简单，制备纳米玻璃成本低。本发明方法适用于制备不同体系的金属纳米玻璃。通过本发明方法制备出的纳米玻璃是完全致密的，尺寸较大，有利于对纳米玻璃结构和性能进行准确表征以及实际应用。

本发明制备纳米玻璃的方法是将金属玻璃的片材在低于其玻璃化转变温度下于轧机上进行轧制，控制应变速率在1.0×10^-3～10s^-1之间，且应变量大于95％。

本发明的一个实施例中将Pd₄₀Ni₄₀P₂₀金属玻璃制成直径为4mm、厚度小于等于1.1mm的片材，再在室温下进行轧制，通过调节轧辊的线速度以及轧辊间距控制应变速率，在4.0×10^-1s^-1的应变速率下，使片材经历99％的塑性应变。X射线衍射分析表明，轧制后的金属玻璃仍具有非晶态结构。扫描和透射电镜分析发现，轧制后的金属玻璃中形成了高密度的剪切带，剪切带平均间距低达31nm。这表明，在4.0×10^-1s^-1的应变速率下，经历99％塑性应变的Pd₄₀Ni₄₀P₂₀金属玻璃样品具有非晶态结构，样品中产生了高密度的平均间距在31nm的剪切带，说明其微结构具有纳米玻璃的微结构特征，即获得了纳米玻璃。