含有纤维的无定形合金复合材料的制作方法
【专利说明】含有纤维的无定形合金复合材料
[0001]相关申请
本申请要求2012年7月24日提交的美国临时申请序列号61/675，084的优先权，其通过引用而全文结合到本文中。
[0002]背景
含有纤维的复合材料提供许多优点，导致广泛用于多种应用。常规的含有纤维的复合材料含有纤维和树脂基质材料。这些纤维-树脂复合材料提供许多优点，例如高度期望的强度与重量比。尽管纤维-树脂复合材料的许多有益的性质，这些含有树脂的复合材料不提供许多应用所期望的耐腐蚀性和耐磨性。
[0003]常规的纤维-树脂复合材料已用作航空组件、汽车、艇、船、医疗装置、运动设备、工业设备和电子装置的零件。虽然常规的复合材料呈现的强度与重量比在这些应用中提供许多优点，但是常规的复合材料的不令人满意的耐磨性和耐腐蚀性通常需要昂贵的检查计划并且具有短的工作寿命。
[0004]因此，需要提供改进的性质(例如耐腐蚀性和耐磨性)的含有纤维的复合材料。
[0005]概述
在一些实施方案中提供了一种含有纤维的合金复合材料组合物、制备所述复合材料组合物的方法和使用所述方法复合材料组合物来改进材料性质的方法。与包含纤维的常规材料相比，所述含有纤维的合金组合物提供改进的性质。
[0006]一个实施方案提供了一种用于生产组合物的方法，所述方法包括:使在第一温度下的包含无定形合金的第一材料与包含至少一种纤维的第二材料接触，以形成包含所述第一材料和所述第二材料的组合物，其中所述第一温度高于或等于所述无定形合金的Tg。
[0007]另一个实施方案提供了一种组合物，所述组合物包含在第二材料之上布置的第一材料，其中至少一部分所述第一材料与所述第二材料接触，所述第一材料包含第一无定形合金，和所述第二材料包含至少一种纤维。
[0008]另一个实施方案提供了一种组合物，所述组合物包含织造材料，所述织造材料包含至少一种包含第一材料的第一纤维和至少一种包含第二材料的第二纤维，其中所述第一材料包含无定形合金，并且所述第二材料包含元素碳、硼、硅、氧，或它们的组合。
[0009]另一个实施方案提供了一种生产组合物的方法，所述方法包括:将至少一种包含第一材料的第一纤维和至少一种包含第二材料的第二纤维编织在一起，以形成织造材料，其中所述第一材料包含无定形合金，并且所述第二材料包含元素碳、硼、硅、氧，或它们的组入口 ο
[0010]应认识到，前述概念和以下更详细讨论的另外的概念(只要这些概念不会相互不一致)的所有组合预期为本文公开的本发明主题的一部分。特别是，出现在本公开的结尾的要求保护的主题的所有组合预期为本文公开的本发明主题的一部分。还应认识到，本文明确采用的术语，其也可出现在通过引用结合到本文中的任何公开内容中，应符合与本文公开的特定概念最一致的含义。
[0011]附图简述专业技术人员将理解附图主要用于说明性目的，并且不旨在限制本文描述的本发明主题的范围。附图不必然按比例绘制；在一些情况下，本文公开的本发明主题的各方面可能在附图中夸大或放大显示，以便于不同特征的理解。在附图中，相似的附图标记通常指相似的特征(例如，功能上类似的和/或结构上类似的元件)。
[0012]图1为描述根据至少一个示例性实施方案制造组合物的方法的流程图。
[0013]图2(a)_2(b)为根据至少一个示例性实施方案的组合物的示意图，其中存在第一材料的单一层和第二材料的单一层。图2(a)描述沿着与纤维平行的轴的视图，图2(b)描述沿着与纤维垂直的轴的视图。
[0014]图3(a)_3(b)为根据至少一个示例性实施方案的组合物的示意图，其中存在第一材料的多个层和第二材料的多个层。图3(a)描述沿着与纤维平行的轴的视图，图3(b)描述沿着与纤维垂直的轴的视图。
[0015]图4(a)_4(b)为根据至少一个示例性实施方案的组合物的示意图，其中第二材料被第一材料包封。
[0016]发明详述
一个实施方案涉及一种用于生产包含第一材料和第二材料的组合物的方法，其中所述第一材料包含第一无定形合金，和所述第二材料包含至少一种纤维。另一个实施方案涉及一种包含在第二材料之上布置的第一材料的组合物，其中至少一部分所述第一材料与所述第二材料接触，所述第一材料包含第一无定形合金，和所述第二材料包含至少一种纤维。另一个实施方案涉及一种用于改进包含至少一种纤维并且基本上不含无定形合金的组合物的性质的方法。
[0017]无定形合金
合金可指混合物，包括两种或更多种金属元素(例如，至少2种、3种、4种、5种或更多种元素)的固溶体。本文中术语"元素"可指可在周期表中找到的元素。金属可指任何的碱金属、碱土金属、过渡金属、过渡后金属、镧系元素和婀系元素。
[0018]无定形合金可指具有无定形、非结晶原子或微观结构的合金。无定形结构可指不具有可观察的长程有序的玻璃质结构；在一些情况下，无定形结构可呈现一些短程有序。因此，无定形合金有时可称为〃金属玻璃〃。无定形合金可指至少约50 %(例如，至少约60%、约70%、约80%、约90%、约95%、约99%或更多)为无定形相的合金。本文中百分数可指体积百分数或重量百分数，取决于上下文。本文中术语"相"可指物质在物理上有区别的形式，例如微观结构。例如，固体和液体为不同的相。类似地，无定形相不同于结晶相。
[0019]无定形合金可含有多种金属元素。在一些实施方案中，无定形合金可包含锆、钛、铁、铜、镲、金、钼、钮、销，或它们的组合。在一些实施方案中，无定形合金可为基于锆的、基于钛的、基于铁的、基于铜的、基于镍的、基于金的、基于铂的、基于钯的或基于铝的。术语〃基于M的〃当涉及合金时，可指包含至少约30% (例如，约40%、约50%、约60%、约70%、约80%、约90%、约95%或更多)的元素M的合金。本文中百分数可指体积百分数或重量百分数，取决于上下文。
[0020]无定形合金可为本体固化无定形合金。本体固化无定形合金或本体金属玻璃("BMG")或本体无定形合金可指具有至少一个毫米范围的尺寸的无定形合金。在一个实施方案中，该尺寸可指最小尺寸。取决于几何形状，尺寸可指厚度、高度、长度、宽度、半径等。在一些实施方案中，该最小尺寸可为至少约0.5 mm，例如，至少约0.8 mm、约I mm、约2 mm、约3 mm、约4 mm、约5 mm、约6 mm、约8 mm、约10 mm、约12 mm或更大。不限制最大尺寸的大小，并且可为毫米范围、厘米范围或甚至米范围。
[0021]本文描述的无定形合金(包括本体无定形合金)可具有约500 K/秒或更低的临界冷却速率。本文中术语"临界冷却速率"可指这样的冷却速率:在该速率以下，无定形结构在能量方面不利，因此在制造过程期间难以形成无定形结构。在一些实施方案中，无定形合金的临界冷却速率可为例如约400 K/秒或更低，例如，约300 K/秒或更低、约250 K/秒或更低、约200 K/秒或更低。
[0022]无定形合金可具有多种化学组成。在一个实施方案中，无定形合金为基于Zr的合金，例如基于 Zr-Ti 的合金，例如(Zr，Ti)a(Ni，Cu，Fe)b(Be，Al，Si，B)。，其中每一个 a、b、c独立地为表示原子％的数字，并且a为30-75，b为5-60，和c为0_50。还可存在其它伴随的、不可避免的极少量的杂质。在一些实施方案中，这些合金可容纳显著量的其它过渡金属，例如Nb、Cr、V、Co。在一个实施方案中，〃显著量〃可指约5原子％或更多，例如，10原子％、20原子％、30原子％或更多。
[0023]在一个实施方案中，本文的无定形合金可具有化学式(Zr，Ti)a(Ni，Cu)b(Be)。，其中每一个a、b、c独立地为表示原子％的数字，并且a为40-75，b为5_50，和c为5_50。还可存在其它伴随的、不可避免的极少量的杂质。在另一个实施方案中，合金可具有组成(Zr，Ti)a(Ni，Cu)b(Be)。，其中每一个a、b、c独立地为表示原子％的数字，并且a为45-65，b为
7.5-35，和c为10-37.5范围，以原子百分数计。
[0024]在另一个实施方案中，无定形合金可具有化学式(Zr)a(Nb，Ti)b(Ni，Cu)e(Al)d，其中每一个a、b、c、d独立地为表示原子％的数字，并且a为45-65，b为0_10，c为20-40，和d为7.5-15。还可存在其它伴随的、不可避免的极少量的杂质.在一些实施方案中，无定形合金可为基于亚铁-金属的合金，例如基于(Fe，Ni，Co)的组合物。这样的组合物的实例公开于美国专利号6，325，868和出版物(A.1noue等人，Appl.Phys.Lett.，第 71 卷，第 464 页(1997))，(Shen 等人，Mater.Trans.，JIM，第 42卷，第2136页(2001))和日本专利申请2000126277 (公布号2001/303218 A)。例如，合金可为 Fe72Al5Ga2P11C6B4或 Fe 72A17Zr10Mo5ff2B15o
[0025]无定形合金(包括本体固化无定形合金)可具有高强度和高硬度。强度可指拉伸或压缩强度，取决于上下文。例如，基于Zr和Ti的无定形合金的拉伸屈服强度可为约250ksi或更高，硬度值为约450维氏或更高，或二者都有。在一些实施方案中，拉伸屈服强度可为约300 ksi或更高，例如，至少约400 ks1、约500 ks1、约600 ks1、约800 ksi或更高。在一些实施方案中，硬度值可为至少约500维氏，例如，至少约550、约600、约700、约800、约900维氏或更高。
[0026]在一个实施方案中，基于亚铁金属的无定形合金(包括基于亚铁金属的本体固化无定形合金)的拉伸屈服强度可为约500 ksi或更高，并且硬度值为约1000维氏或更高。在一些实施方案中，拉伸屈服强度可为约550 ksi或更高，例如，至少约600 ks1、约700 ks1、约800 ks1、约900 ksi或更高。在一些实施方案中，硬度值可为至少约1000维氏，例如，至少约1100维氏、约1200维氏、约1400维氏、约1500维氏、约1600维氏或更高。
[0027]因此，任何前述无定形合金可具有期望的强度与重量比。此外，无定形合金，特别