電鍍沉積對(duì)金屬玻璃的仿生韌化研究結(jié)題摘要

金屬玻璃自被制備以來就一直受到其臨界尺寸較小和脆性的限制。臨界尺寸小主要是因?yàn)槠溆邢薜牟Ａ纬赡芰Γ嘈詣t是本項(xiàng)目關(guān)心的重點(diǎn)。本項(xiàng)目的初衷在于利用電鍍沉積的方法模仿生物材料中的特殊結(jié)構(gòu)，在不降低金屬玻璃強(qiáng)度前提下提高其韌性。在項(xiàng)目完成的過程中，成功地進(jìn)行了單根和雙根金屬玻璃棒的電鍍。對(duì)電鍍后的單根金屬玻璃棒狀樣品進(jìn)行了壓縮和拉伸試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本符合預(yù)期。 在此基礎(chǔ)上，本項(xiàng)目還探索了在過冷液相區(qū)制備層狀結(jié)構(gòu)的金屬玻璃樣品，發(fā)現(xiàn)這種層狀結(jié)構(gòu)對(duì)金屬玻璃韌性有所改善。我們主要采用了Zr52.5Al10Cu15Ni10Be12.5體系金屬玻璃，在其過冷液相區(qū)對(duì)其進(jìn)行了熱擴(kuò)散鏈接。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，如果制備時(shí)壓力和時(shí)間取得足夠大，那么溫度就是一個(gè)非常重要的因素，它直接決定了熱擴(kuò)散是否能進(jìn)行良好。擴(kuò)散鏈接后的樣件進(jìn)行了三點(diǎn)彎測(cè)試，發(fā)現(xiàn)其韌性和鑄態(tài)樣品相比略有改善。經(jīng)過本課題的研究，針對(duì)我們所采用的Zr52.5Al10Cu15Ni10Be12.5體系，得到了以下結(jié)論： 1. 當(dāng)壓力采用100-150 MPa，時(shí)間采用10 min時(shí)，溫度須控制在420-440 攝氏度范圍內(nèi)方可對(duì)Zr52.5Al10Cu15Ni10Be12.5 成功實(shí)施熱擴(kuò)散鏈接，并且可以有效避免樣件晶化。2. 熱擴(kuò)散鏈接后樣件的性能不僅取決于片層之間的結(jié)合力而且取決于片層內(nèi)部原子的重排。3.溫度、壓力和時(shí)間共同決定了熱擴(kuò)散鏈接是否能夠成功，這三個(gè)因素的優(yōu)化能夠使樣件的性能達(dá)到最佳狀態(tài)。 另外，本項(xiàng)目還首次在研究了金屬玻璃棒狀樣品的屈曲。在相同的長徑比情況下，金屬玻璃樣品比晶態(tài)材料樣品更容易屈曲。當(dāng)長徑比達(dá)到20時(shí)，屈曲更加明顯。 經(jīng)過本課題的研究，我們發(fā)現(xiàn)金屬玻璃高強(qiáng)度的優(yōu)點(diǎn)會(huì)被其屈曲掩蓋，此時(shí)的屈曲一般為彈性屈曲。當(dāng)樣品發(fā)生塑性屈曲時(shí)，金屬玻璃的脆性在一定程度上被克服了，樣品的失效方式比較溫和，不會(huì)發(fā)生災(zāi)難性脆斷。這種溫和的失效模式得益于屈曲時(shí)樣品橫斷面的特殊應(yīng)力狀態(tài)，進(jìn)而增強(qiáng)了金屬玻璃這一新型結(jié)構(gòu)材料的可靠性。 最后，還研究了本領(lǐng)域內(nèi)人們長期關(guān)心的焦點(diǎn)問題-剪切帶的溫度。由于剪切帶的空間非常局域、持續(xù)時(shí)間極短，因此對(duì)其的研究非常困難。先前人們根據(jù)斷面的熔滴推斷剪切帶的溫度。本課題解析地給出了剪切帶溫度隨空間距離和時(shí)間的演化過程，還進(jìn)一步考慮了剪切帶的厚度。根據(jù)整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)釋放的能量，可以方便計(jì)算出剪切帶的溫度。

本項(xiàng)目旨在模仿生物材料中的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，用小尺寸塊體金屬玻璃樣品搭建兩種仿生細(xì)觀構(gòu)型，利用電鍍的方法將金屬沉積于金屬玻璃的構(gòu)架中。在不降低單個(gè)金屬玻璃樣品強(qiáng)度的前提下，突破樣件的臨界尺寸限制，同時(shí)利用仿生結(jié)構(gòu)的能量耗散機(jī)制提高大尺寸金屬玻璃樣件的韌性。通過改變金屬玻璃體系、樣品尺寸、表面粗糙度，沉鍍金屬種類和體積百分比等，考察這些參數(shù)對(duì)樣件力學(xué)性能的綜合影響，與未進(jìn)行任何處理的鑄態(tài)塊體金屬玻璃的變形行為進(jìn)行比較，弄清這種影響背后的物理機(jī)制。在此基礎(chǔ)上，選擇兩種韌性相差較大的金屬玻璃體系，采取完全相同的仿生細(xì)觀結(jié)構(gòu)和電鍍沉積方案，在樣件發(fā)生了不同塑性變形量時(shí)卸載，利用掃描電鏡觀察剪切帶的萌生、發(fā)展和分布情況，對(duì)比研究本項(xiàng)目所采用的方法對(duì)不同體系金屬玻璃增韌的機(jī)制和效果差別，并在理論上分析得出金屬玻璃增韌的一般性指導(dǎo)原則。

金屬玻璃絲是新型的微納米尺度高強(qiáng)度材料。在亞微米尺度，金屬玻璃絲有很高的強(qiáng)度和很好的均勻塑性。而微米尺度的金屬玻璃絲在拉伸載荷下由于剪切帶的產(chǎn)生而發(fā)生災(zāi)難性的斷裂。本項(xiàng)目將用電鍍沉積的方法減緩金屬玻璃絲局域剪切形變的動(dòng)力學(xué)不穩(wěn)定性，以提高微米尺度金屬玻璃絲的拉伸塑性。首先，我們會(huì)探索電鍍沉積工藝，制備出均勻且有高界面質(zhì)量的鍍層金屬。我們將在此基礎(chǔ)上總結(jié)電鍍工藝、鍍層金屬成分和厚度對(duì)金屬玻璃絲力學(xué)行為的調(diào)控規(guī)律。最后我們會(huì)通過原位拉伸測(cè)試和變形過程中的結(jié)構(gòu)演化表征揭示電鍍金屬對(duì)金屬玻璃絲力學(xué)行為調(diào)控的物理機(jī)制。

金屬玻璃由于其原子排列長程有序且短程無序，沒有位錯(cuò)、晶界和孿晶等晶體結(jié)構(gòu)缺陷，因而具有優(yōu)異的力學(xué)與功能特性。金屬玻璃絲能夠進(jìn)一步拓展金屬玻璃的力學(xué)與功能特性，如更高的強(qiáng)度和更好的塑性、優(yōu)異的應(yīng)變敏感特性、優(yōu)異的電化學(xué)催化性能、巨磁阻抗效應(yīng)等，具有很好的應(yīng)用前景。面向不同的應(yīng)用，需要不同的制備工藝制備金屬玻璃絲。而有些工藝，如水紡法、泰勒法和模壓法會(huì)使金屬玻璃絲變脆。因此，需要尋求新的方法韌化金屬玻璃絲。研究表明，在塊體金屬玻璃表面電沉積純銅或純鎳等韌性金屬材料能起到提高壓縮塑性的作用。本項(xiàng)目在此啟示下，采用電沉積工藝增加金屬玻璃絲的韌性。 在研究電沉積調(diào)控金屬玻璃絲韌性之前，我們研究了制備工藝，尤其是冷卻速率對(duì)金屬玻璃絲拉伸力學(xué)行為的影響。我們使用熔體抽拉法制備金屬玻璃絲，純銅刀刃的轉(zhuǎn)速?zèng)Q定了金屬玻璃絲的直徑大小。轉(zhuǎn)速越快，直徑越小，冷卻速率也越大，金屬玻璃絲中的自由體積越多。我們用Mohr-Columb準(zhǔn)則對(duì)這些金屬玻璃絲的屈服與斷裂行為進(jìn)行了分析，計(jì)算了金屬玻璃絲的內(nèi)聚強(qiáng)度。結(jié)果表明內(nèi)聚強(qiáng)度隨金屬玻璃絲冷卻速率的增大而增大。這一工作揭示了金屬玻璃絲屈服行為與其自由體積分?jǐn)?shù)大小之間的內(nèi)在聯(lián)系。 金屬玻璃絲與電沉積金屬之間的結(jié)合屬于機(jī)械結(jié)合，所以對(duì)金屬玻璃絲表面摩擦行為的研究是必要的。我們采用納米劃痕的方法進(jìn)行研究，用去線性擾動(dòng)分析方法劃痕載荷的時(shí)間尺度和粘滑運(yùn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)行為。考察了劃痕載荷時(shí)間尺度上的自相似性。不同劃痕載荷下差分摩擦系數(shù)的置信區(qū)間說明了劃痕過程是一個(gè)非均勻剪切帶形成的過程。 在以上基礎(chǔ)上，我們調(diào)整電沉積工藝，當(dāng)鍍銅的電流密度小于1 mA/mm2時(shí)，電沉積金屬鍍層與金屬玻璃絲之間有一個(gè)良好的結(jié)合。在拉伸的過程中，鍍層與金屬玻璃絲之間始終保持同步變形，沒有出現(xiàn)鍍層與金屬玻璃絲滑脫的現(xiàn)象。拉伸實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)銅鍍層的體積百分?jǐn)?shù)小于45%時(shí)，鍍層與金屬玻璃一起發(fā)生剪切斷裂。當(dāng)鍍層體積百分?jǐn)?shù)超過這一數(shù)值時(shí)，鍍銅金屬玻璃絲開始出現(xiàn)塑性變形。當(dāng)鍍層體積百分?jǐn)?shù)達(dá)到97%時(shí)，拉伸塑性達(dá)到7.1%。SEM觀察結(jié)果表明這個(gè)表觀拉伸塑性是由于大量剪切帶造成的。同時(shí)我們還注意到，金屬玻璃絲上沒有出現(xiàn)緊縮現(xiàn)象。

沉積學(xué)研究內(nèi)容

①基礎(chǔ)理論研究。內(nèi)容有：結(jié)合土壤學(xué)對(duì)風(fēng)化作用的研究；結(jié)合流體力學(xué)、水文學(xué)、大氣科學(xué)、化學(xué)和生物化學(xué)等對(duì)搬運(yùn)作用和沉積作用的研究；結(jié)合礦物學(xué)、巖石學(xué)、化石巖石學(xué)等對(duì)各種碎屑顆粒、粘土礦物和異化顆粒的類型和成因標(biāo)志的研究，對(duì)陸源沉積物和內(nèi)源沉積物類型和成因的研究，尤其對(duì)各種已知環(huán)境的沉積相特征分類、相模式的建立和沉積體系的研究等。

②結(jié)合巖石圈動(dòng)力學(xué)等，研究大構(gòu)造單元或大地理環(huán)境中的沉積特征。主要研究整個(gè)沉積盆地，巖石圈板塊，褶皺帶等的沉積特征。這項(xiàng)研究內(nèi)容也有人稱之為宏觀沉積學(xué)。

③對(duì)比沉積學(xué)。把對(duì)現(xiàn)代沉積研究取得的多方面的資料，特別是沉積類型和成因標(biāo)志等同古代沉積進(jìn)行對(duì)比，分析古代沉積地層中有無相類似的沉積巖、沉積相或相標(biāo)志，以及沉積體系等；闡明其相同、相異，或有若干變化之處，以解釋地質(zhì)時(shí)期的演化趨勢(shì)。

④沉積學(xué)的應(yīng)用。自從50年代以來沉積學(xué)便由純科學(xué)向應(yīng)用科學(xué)方向轉(zhuǎn)變，并得到迅速發(fā)展，應(yīng)用范圍也日益擴(kuò)大。沉積學(xué)的研究已成為油、氣勘探獲得成功的關(guān)鍵。沉積礦床勘查常必須作出古環(huán)境分析，而沉積學(xué)的研究對(duì)古環(huán)境的分析是極有價(jià)值的。如鉛、鋅等層控礦床，可能局限在生物礁母巖中，或藻硫酸鹽巖中，鈾礦等砂礦床常集中在古河床沉積中。在現(xiàn)代深海沉積的調(diào)查和研究中，也重視結(jié)合研究錳結(jié)核等有遠(yuǎn)景的礦產(chǎn)。

沉積學(xué)研究方法

①沉積學(xué)與沉積巖巖石學(xué)密切相關(guān)，有很多研究方法是相通的。沉積巖巖石學(xué)中運(yùn)用的許多現(xiàn)代的分析和測(cè)試方法，如X射線衍射分析，電子探針分析，掃描電鏡和透射電鏡觀察，陰極發(fā)光顯微鏡觀察等都可用于沉積學(xué)研究。

②大范圍沉積的研究采用地震地層學(xué)的方法，它對(duì)于含煤、含油盆地，海洋沉積和三角洲沉積等研究都起很大的作用。在深海取樣和分析研究中，使用回聲探測(cè)儀、聲吶等工具。

③單項(xiàng)研究與綜合研究的結(jié)合。這種研究方法不僅充分反映了各分項(xiàng)或各部分的研究成果，而且能取得綜合性結(jié)論，使研究更加深入。