電鍍沉積對金屬玻璃的仿生韌化研究項目摘要

本項目旨在模仿生物材料中的結構設計，用小尺寸塊體金屬玻璃樣品搭建兩種仿生細觀構型，利用電鍍的方法將金屬沉積于金屬玻璃的構架中。在不降低單個金屬玻璃樣品強度的前提下，突破樣件的臨界尺寸限制，同時利用仿生結構的能量耗散機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)對樣件力學性能的綜合影響，與未進行任何處理的鑄態(tài)塊體金屬玻璃的變形行為進行比較，弄清這種影響背后的物理機制。在此基礎上，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觀結構和電鍍沉積方案，在樣件發(fā)生了不同塑性變形量時卸載，利用掃描電鏡觀察剪切帶的萌生、發(fā)展和分布情況，對比研究本項目所采用的方法對不同體系金屬玻璃增韌的機制和效果差別，并在理論上分析得出金屬玻璃增韌的一般性指導原則。

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為其有限的玻璃形成能力，而脆性則是本項目關心的重點。本項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構，在不降低金屬玻璃強度前提下提高其韌性。在項目完成的過程中，成功地進行了單根和雙根金屬玻璃棒的電鍍。對電鍍后的單根金屬玻璃棒狀樣品進行了壓縮和拉伸試驗，實驗結果基本符合預期。 在此基礎上，本項目還探索了在過冷液相區(qū)制備層狀結構的金屬玻璃樣品，發(fā)現(xiàn)這種層狀結構對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)對其進行了熱擴散鏈接。結果發(fā)現(xiàn)，如果制備時壓力和時間取得足夠大，那么溫度就是一個非常重要的因素，它直接決定了熱擴散是否能進行良好。擴散鏈接后的樣件進行了三點彎測試，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，針對我們所采用的Zr52.5Al10Cu15Ni10Be12.5體系，得到了以下結論： 1. 當壓力采用100-150 MPa，時間采用10 min時，溫度須控制在420-440 攝氏度范圍內(nèi)方可對Zr52.5Al10Cu15Ni10Be12.5 成功實施熱擴散鏈接，并且可以有效避免樣件晶化。2. 熱擴散鏈接后樣件的性能不僅取決于片層之間的結合力而且取決于片層內(nèi)部原子的重排。3.溫度、壓力和時間共同決定了熱擴散鏈接是否能夠成功，這三個因素的優(yōu)化能夠使樣件的性能達到最佳狀態(tài)。 另外，本項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。當長徑比達到20時，屈曲更加明顯。 經(jīng)過本課題的研究，我們發(fā)現(xiàn)金屬玻璃高強度的優(yōu)點會被其屈曲掩蓋，此時的屈曲一般為彈性屈曲。當樣品發(fā)生塑性屈曲時，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，不會發(fā)生災難性脆斷。這種溫和的失效模式得益于屈曲時樣品橫斷面的特殊應力狀態(tài)，進而增強了金屬玻璃這一新型結構材料的可靠性。 最后，還研究了本領域內(nèi)人們長期關心的焦點問題-剪切帶的溫度。由于剪切帶的空間非常局域、持續(xù)時間極短，因此對其的研究非常困難。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間的演化過程，還進一步考慮了剪切帶的厚度。根據(jù)整個測試系統(tǒng)釋放的能量，可以方便計算出剪切帶的溫度。

金屬玻璃絲是新型的微納米尺度高強度材料。在亞微米尺度，金屬玻璃絲有很高的強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)生災難性的斷裂。本項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力學不穩(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。我們將在此基礎上總結電鍍工藝、鍍層金屬成分和厚度對金屬玻璃絲力學行為的調(diào)控規(guī)律。最后我們會通過原位拉伸測試和變形過程中的結構演化表征揭示電鍍金屬對金屬玻璃絲力學行為調(diào)控的物理機制。

金屬玻璃由于其原子排列長程有序且短程無序，沒有位錯、晶界和孿晶等晶體結構缺陷，因而具有優(yōu)異的力學與功能特性。金屬玻璃絲能夠進一步拓展金屬玻璃的力學與功能特性，如更高的強度和更好的塑性、優(yōu)異的應變敏感特性、優(yōu)異的電化學催化性能、巨磁阻抗效應等，具有很好的應用前景。面向不同的應用，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，尤其是冷卻速率對金屬玻璃絲拉伸力學行為的影響。我們使用熔體抽拉法制備金屬玻璃絲，純銅刀刃的轉速決定了金屬玻璃絲的直徑大小。轉速越快，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準則對這些金屬玻璃絲的屈服與斷裂行為進行了分析，計算了金屬玻璃絲的內(nèi)聚強度。結果表明內(nèi)聚強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數(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合屬于機械結合，所以對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行研究，用去線性擾動分析方法劃痕載荷的時間尺度和粘滑運動動力學行為?？疾炝藙澓圯d荷時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非均勻剪切帶形成的過程。 在以上基礎上，我們調(diào)整電沉積工藝，當鍍銅的電流密度小于1 mA/mm2時，電沉積金屬鍍層與金屬玻璃絲之間有一個良好的結合。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。拉伸實驗結果表明，當銅鍍層的體積百分數(shù)小于45%時，鍍層與金屬玻璃一起發(fā)生剪切斷裂。當鍍層體積百分數(shù)超過這一數(shù)值時，鍍銅金屬玻璃絲開始出現(xiàn)塑性變形。當鍍層體積百分數(shù)達到97%時，拉伸塑性達到7.1%。SEM觀察結果表明這個表觀拉伸塑性是由于大量剪切帶造成的。同時我們還注意到，金屬玻璃絲上沒有出現(xiàn)緊縮現(xiàn)象。

沉積學研究內(nèi)容

①基礎理論研究。內(nèi)容有：結合土壤學對風化作用的研究；結合流體力學、水文學、大氣科學、化學和生物化學等對搬運作用和沉積作用的研究；結合礦物學、巖石學、化石巖石學等對各種碎屑顆粒、粘土礦物和異化顆粒的類型和成因標志的研究，對陸源沉積物和內(nèi)源沉積物類型和成因的研究，尤其對各種已知環(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結合巖石圈動力學等，研究大構造單元或大地理環(huán)境中的沉積特征。主要研究整個沉積盆地，巖石圈板塊，褶皺帶等的沉積特征。這項研究內(nèi)容也有人稱之為宏觀沉積學。

③對比沉積學。把對現(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志等同古代沉積進行對比，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)時期的演化趨勢。

④沉積學的應用。自從50年代以來沉積學便由純科學向應用科學方向轉變，并得到迅速發(fā)展，應用范圍也日益擴大。沉積學的研究已成為油、氣勘探獲得成功的關鍵。沉積礦床勘查常必須作出古環(huán)境分析，而沉積學的研究對古環(huán)境的分析是極有價值的。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，也重視結合研究錳結核等有遠景的礦產(chǎn)。

沉積學研究方法

①沉積學與沉積巖巖石學密切相關，有很多研究方法是相通的。沉積巖巖石學中運用的許多現(xiàn)代的分析和測試方法，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研究。

②大范圍沉積的研究采用地震地層學的方法，它對于含煤、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，使用回聲探測儀、聲吶等工具。

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