一种金属复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种金属复合材料及其制备方法，包括金属基体，所述金属基体内分散有若干气泡。本发明专利技术所述的金属复合材料具有较好的变形稳定性和较高的机械强度，并且制备方法简单。

【技术实现步骤摘要】
一种金属复合材料及其制备方法
本专利技术属于金属材料领域，涉及一种金属复合材料及其制备方法。
技术介绍
微纳尺度材料的力学变形行为是设计微纳米机电系统所必须考虑的重要内容。微纳米机电系统一般具有尺寸小、组装结构复杂的特点，所以选用的材料以单晶金属为主，然而单晶体金属的力学变形通常不稳定，易于发生突然失效。因此，为了确保微机电系统的结构和功能的稳定性，设计具有优异力学性能的单晶金属材料将具有重要意义。当前，由于微纳米尺度材料测试技术的限制，对于小尺寸样品力学性能的研究和设计长期驻足不前。近年来，Uchic等人开创了一套全新的微纳米尺度样品力学测试技术，发现当材料尺寸降低到微纳米尺度时，材料会呈现越小越强的规律。但随着材料尺寸的减小，变形主要集中在一个晶粒内部，单晶体变形的不稳定性也慢慢显现出来[UchicMD,etal.Science,2004,305,986-989]。随后研究者们又在Ni、Cu、Al、Fe等多种金属材料中发现这种屈服后应变频繁突跳的特点。因此，在微纳尺度下，单晶体金属材料不具备变形稳定性，从而使得微机电系统的安全性没有保障，以致影响其使用寿命。为了解决这个问题，目前学者们通过设计制作一些新的复合材料来抑制这种随机变形。比如Hu等人在铝中通过引入晶界及弥散分布的氧化物有效的提高了小尺寸材料的变形稳定性[HuT,etal.ActaMaterialia,2015,46-54]。Knorr等人通过使用Cu/Pd-Sid多层膜结构使得这种材料的机械强度和变形稳定性均有所提高。[KnorrI,etal.ActaMaterialia,2013,61,4984-4995]。虽然这两种方法都能够有效的抑制材料变形的失稳特点，提高微观尺度下材料的力学性能。然而这两种材料的制备工艺比较复杂，对于微机电系统应用有诸多缺点。Hu等采用的方法需要首先将材料进行球磨成纳米颗粒、而后烧结成块体材料，然后通过时效处理获得弥散分布的第二相。这种工艺会引入大量的晶界和其他缺陷及污染，从而大大降低材料的功能性，比如导电性。另外大量晶界的引入，会使材料的热稳定性大大降低。Knorr等的方法则是利用镀膜的技术形成多层膜结构。多层膜结构的强度比较高，但比较脆，难于变形，大量界面的引入会降低其功能性，并且制备工艺复杂繁琐，因此不利于微纳米机电系统的应用。总之，针对适用于微纳米机电系统的小尺寸材料的变形稳定性及机械强度问题，仍然没有一个简单快捷的解决方案。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种金属复合材料及其制备方法，该材料具有较好的变形稳定性和较高的机械强度，并且制备方法简单。为达到上述目的，本专利技术所述的金属复合材料包括金属基体，所述金属基体内分散有若气泡。各气泡的直径为1nm-100nm。同一行中相邻两个气泡之间的间距为1nm-100nm。各气泡内气体的压强为0.01GPa-10GPa。气泡内的气体为氦气、氖气、氩气、氪气、氙气、氡气、氢气及氮气中的一种或多种按任意比例的混合气体。金属基体的材料为金、银、铜、铁、铝、镁、锰、钴、镍、钒、锡、钨、铌、钽或钼。所述金属基体的厚度为100nm-100μm，气泡的直径为1nm-50nm。所述金属基体的厚度为500nm-10μm，气泡的直径为5nm-20nm。本专利技术所述的金属复合材料的制备方法包括以下步骤：取金属基体，再将所述金属基体加热至20℃-0.5Tm，然后再向金属基体内引入若干气体离子，使金属基体的内部形成多个气泡，得金属复合材料，其中，Tm为金属基体的熔点。本专利技术所述的金属复合材料的制备方法包括以下步骤：取金属基体，再向金属基体内引入若干气体离子，然后再将所述金属基体加热至20℃-0.5Tm，使金属基体的内部形成多个气泡，得金属复合材料，其中，Tm为金属基体的熔点。本专利技术具有以下有益效果：本专利技术所述的金属复合材料包括金属基体，通过给金属基体内引入气泡，从而形成具有气泡的金属基板，进而达到抑制小尺寸单晶金属基板的变形失稳的效果，尤其单晶体变形中的应变突跳行为基本得到抑制，同时具有较高的机械强度，在制备过程中，只需将气体引入到基板中，并在金属基板中形成气泡即可，制作方法简单，实用性极强，并且可控性好，可根据不同的要求调节充入气体所形成气泡的尺寸、密度和空间分布，以平衡在拉应力下的变形稳定性与延伸率的大小。附图说明图1为本专利技术的一种的结构示意图；图2为本专利技术的又一种的结构示意图；图3为本专利技术的又一种的结构示意图；图4为本专利技术的又一种的结构示意图；图5为本专利技术的又一种的结构示意图；图6为本专利技术的一种的流程图；图7为本专利技术的又一种的流程图；图8为本专利技术中利用SRIM计算不同氦离子注入能量和剂量下所获得比较均匀的氦气的空间分布图；图9为本专利技术的实施例1中利用SRIM计算得到的氦气注入到铜中的气体分布图；图10为本专利技术的实施例1中制备的铜/氦泡复合材料的截面透射电镜照片；图11为本专利技术的实施例1中制备的铜/氦泡复合材料的局部放大透射电镜照片；图12为本专利技术的实施例1中制备的铜/氦泡复合材料加工的微纳尺度力学性能测试样品的形貌；图13为本专利技术的实施例1中制备的充气金属与未充气金属的微纳尺度压缩性能测试结果；图14为本专利技术的实施例1中制备的充气金属与未充气金属的微纳尺度拉伸性能测试结果；图15为本专利技术的实施例2中当温度为室温时制备的铜铌/氦泡复合材料的局部放大透射电镜照片；图16为本专利技术实施例2中当温度为450℃时制备的铜铌/氦泡复合材料的局部放大透射电镜照片。其中，1为金属基体、2为气泡。具体实施方式下面结合附图对本专利技术做进一步详细描述：本专利技术所述的金属复合材料包括金属基体1，所述金属基体1内分散有若气泡2。需要说明的是，各气泡2的直径为1nm-100nm；同一行中相邻两个气泡2之间的间距为1nm-100nm；各气泡2内气体的压强为0.01GPa-10GPa；气泡2内的气体为氦气、氖气、氩气、氪气、氙气、氡气、氢气及氮气中的一种或多种按任意比例的混合气体；金属基体1的材料为金、银、铜、铁、铝、镁、锰、钴、镍、钒、锡、钨、铌、钽或钼。气泡2在金属基体1中的分布有多种情况，其中，参考图1，各气泡2均匀分布于整个金属基体1中；参考图2，各气泡2仅均匀分布于金属基体1靠近一表面的一侧；参考图3，各气泡2集中均匀分布于金属基体1的内部某个位置；参考图4，各气泡2分别均匀分布于该金属基体1靠近上下表面的两侧，并在金属基体1中形成两个间隔的气泡2群，且两个气泡2群中的气泡2尺寸和间距/密度不同；参考图5，各气泡2分别均匀分布于该金属基体1靠近左右两侧面的两侧，且在金属基体1中形成两个间隔的气泡2群，且两个气泡2群中的气泡2尺寸相同，但间距/密度不同。参考图6，本专利技术所述的金属复合材料的制备方法包括以下步骤：取金属基体1，再将所述金属基体1加热至20℃-0.5Tm，然后再向金属基体1内引入若干气体离子，使金属基体1的内部形成多个气泡2，得金属复合材料，其中Tm为金属基体1的熔点。优选地，对于熔点大于200℃的金属基体1，该温度范围为50℃-0.5Tm。更优选地，对于熔点大于300℃的金属基体1，该温度范围为100℃-0.5Tm。对在金属基体1中溶解度较低的气体，将其电离然后以较本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种金属复合材料，其特征在于，包括金属基体(1)，所述金属基体(1)内分散有若干气泡(2)。

【技术特征摘要】
1.一种金属复合材料，其特征在于，包括金属基体(1)，所述金属基体(1)内分散有若干气泡(2)；各气泡(2)的直径为1nm-100nm；相邻两个气泡(2)之间的间距为1nm-100nm；各气泡(2)内气体的压强为0.01GPa-10GPa；金属复合材料的制备方法包括以下步骤：取金属基体(1)，再将所述金属基体(1)加热至20℃～0.5Tm，然后再向金属基体(1)内引入若干气体离子，使金属基体(1)的内部形成多个气泡(2)，得金属复合材料，其中，Tm为金属基体(1)的熔点。2.根据权利要求1所述的金属复合材料，其特征在于，气泡(2)内的气体为氦气、氖气、氩气、氪气、氙气、氡气、氢气及氮气中的一种或多种按任意比例的混合气体。3.根据权利要求1...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩卫忠，丁明帅，单智伟，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61