[发明专利]从金属玻璃中制备纳米晶的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种通过金属玻璃制备纳米晶的方法，属于金属材料相变领域。

背景技术

非晶态金属材料又称金属玻璃，于二十世纪六十年代首次发现。传统的金属材料中，原子呈现周期性有序排列。而与此相反，金属玻璃只存在短程有序、不具有长程有序，通常称为无序状态。由于其结构特殊，金属玻璃在力学性能、磁性能等方面表现优异。纳米晶是指晶粒尺寸在纳米级别的晶体，由于晶粒细化，大量原子位于界面之间，这种独特的结构使其性能与传统材料大不相同。以金属玻璃为基体的纳米晶复合材料因其在基础研究和商业生产中的巨大价值而日益受到重视。

       目前，金属玻璃主要是通过急冷法获得，即利用大于体系临界冷速的冷却速度将金属熔体迅速降温至玻璃化转变温度以下，通过此种方式可以有效抑制形核，从而获得具有无序状态的非晶结构。但是急冷获得的金属玻璃能量较高处于一种热力学不稳定状态，因此，金属玻璃通过转化为晶体相来降低自身能量，以期达到热力学稳定状态。金属玻璃在加热过程中会在一定的温度开始晶化，这一温度称之为初始晶化温度（T_x）。金属玻璃的晶化是一个形核和长大的过程，因此可以利用金属玻璃研究大过冷液相区中的形核及其生长机制。现阶段，对金属玻璃晶化的研究主要借助于差示扫描量热仪（Differential Scanning Calorimetry，DSC），但其加热速度较慢，以PE Diamond型DSC为例，最大加热速度仅为500 K/min（大约为8 K/s）。金属玻璃的晶化中，如果在晶化区间停留时间较长，晶核会有足够的时间生长，最终形成比较大的晶粒。如果加热速度继续增加，使晶核来不及长大，这样就可能形成纳米晶材料，甚至可以保留形核初期的有效信息，为形核研究提供新思路。同时，高速加热制备纳米晶在生产上也具有较大的潜力。

借助于纳米量热技术所开发的快速扫描量热仪（Fast Scanning Calorimetry，FSC）可以实现纳米晶制备所要求的极高的加热速度。FSC设备加热速度快（可达10⁶ K/s），并可以实现原位加热。通过比例-积分-微分（Proportion-Integration-Differential，PID）电路可以实现加热速度的精确控制。此外，该设备灵敏度高（小于1 nJ/K），数据采集频率大（100万点/秒），可以采集到微小的热量变化并捕捉到DSC难以获取的热信号，非常适合小至微米尺度颗粒的热分析。但是，受FSC设备限制，所用试样尺寸在微米级别，难以利用常规方法表征高速加热后的组织变化，这在一定程度上影响了FSC处理后试样的组织观察和分析。

聚焦离子束（Focused Ion Beam，FIB）是上世纪90年代发展起来的一种微细加工技术。其原理是液态金属离子源产生的离子束经加速、会聚后形成束斑直径达纳米级别、能量非常高的离子束，此高能离子束轰击样品时对表面原子进行剥离，可以实现微纳米级别的精细加工，特别适合制备常规方法无法获取的透射电镜样品。FIB设备的种种优势使得观察FSC试样的显微组织成为了可能。高分辨透射电镜（High Resolution Transmission Electron Microscopy，HRTEM）集形貌观察、成分和结构分析于一体，是材料研究中不可或缺的表征手段。因此，综合FSC的原位快速加热、FIB的微纳米加工以及HRTEM的微区分析可以实现金属纳米晶的制备并对所获取的组织进行验证。

本发明申请人采用快速扫描量热仪+纳米晶（Fast Scanning Calorimetry + Nanocrystal）作为关键词在美国的《工程文摘索引》（EI）、Sciencedirect科技论文数据库、ISI Web of Science等国外科技数据库、我国的《中国期刊网》和《维普中文期刊数据库》等科技文献索引，均没有查到完全相关文献。申请人还检索了美国专利商标局（USPTO）、欧洲专利局（EPO）、世界知识产权组织（WIPO）、《中国专利信息网》以及《中华人民共和国国家知识产权局专利检索》也没有发现同类专利。

发明内容

       本发明提出了一种从金属玻璃中制备纳米晶的新方法。更具体地说，本发明的目的是利用快速扫描量热仪对单个微米尺度的金属玻璃颗粒进行原位快速加热，有效抑制晶核长大过程。然后利用聚焦离子束对其进行精细加工，制备符合要求的透射电镜试样，利用高分辨透射电镜对其组织进行表征。在试样加工过程中还可以利用聚焦离子束设备自带的扫描电镜对其组织进行观察。其具体的操作步骤如下：